KR20070012708A - A process for the production of polylactic acid(pla) from renewable feedstocks - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an efficient process for producing polylactic acid from fermentation of renewable agricultural feed-stocks not limited to molasses or cane bagasse employed as starting material. The present invention in particular provides a cost effective and industrially scalable process for producing polylactic acid obtained by fermentation of Lactic acid having industrial applications. ® KIPO & WIPO 2007

Description

재생가능한 원료로부터 폴리락트산(PLA)의 생산 방법{A PROCESS FOR THE PRODUCTION OF POLYLACTIC ACID(PLA) FROM RENEWABLE FEEDSTOCKS}Production method of polylactic acid (PLA) from renewable raw materials {A PROCESS FOR THE PRODUCTION OF POLYLACTIC ACID (PLA) FROM RENEWABLE FEEDSTOCKS}

본 출원은 2004년 5월 출원된 출원번호 576/MUM/2004의 인도 가 특허출원의 우선권을 주장한다. This application claims the priority of the Indian Patent Application of Application No. 576 / MUM / 2004, filed May 2004.

본 발명은, 출발 물질로서 사용된 당밀이나 사탕수수 버개스에 제한되지 않는 재생가능한 농업 원료를 발효시켜 폴리락트산을 생산하는 효율적인 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 산업적 용도를 갖는 락트산의 발효에 의해 얻어진 폴리락트산을 생산하기 위한 비용 효과적이고 산업적으로 규모화할 수 있는 방법을 제공한다.The present invention relates to an efficient process for producing polylactic acid by fermenting renewable agricultural raw materials, which are not limited to molasses or sugarcane bagasse used as starting materials. In particular, the present invention provides a cost-effective and industrially scalable method for producing polylactic acid obtained by fermentation of lactic acid with industrial use.

락트산 발효는 주로 생분해성 플라스틱의 제조에서 빌딩블록으로서의 중요성 때문에 최근 수년 사이에 점점 관심을 받고 있다. 락트산은 각각 락토오스 및 글루코오스의 공급원인 유청 막투과액 및 녹말 가수분해물과 같은 다양한 기질로부터 생산될 수 있다.Lactic acid fermentation has gained increasing attention in recent years mainly because of its importance as a building block in the manufacture of biodegradable plastics. Lactic acid can be produced from a variety of substrates, such as whey membrane permeate and starch hydrolysate, which are sources of lactose and glucose, respectively.

최근 새로운 부류의 재생가능한 생분해성 락티드 중합체의 출발 원료로서 락트산의 가능성이 인정되었다. 이들 생분해성 중합체는 현재의 플라스틱 재료에 대한 대체물로서 고려되거나, 또는 뼈수술에서 사용되는 지지 및 부착 막, 유용한 플 라스틱 제품 및 용기, 의료용 의복, 일회용 기저귀, 마당 쓰레기 자루 등의 생분해성인 것이 바람직한 제품들의 개발에서 다양한 새로운 용도에 대해 고려된다.Recently, the potential of lactic acid as a starting material for a new class of renewable biodegradable lactide polymers has been recognized. These biodegradable polymers are considered as alternatives to current plastic materials, or biodegradable products such as support and adhesion membranes used in bone surgery, useful plastic products and containers, medical garments, disposable diapers, yard bags, etc. It is considered for a variety of new uses in their development.

상이한 용도들에 대해서 다양한 순도나 등급의 락트산이 사용된다. 금속 및 가죽에서와 같은 기술적 목적을 위해서는 낮은 기술적 등급의 락트산이 사용되고, 식품 관련 용도에서는 약간 더 정제된 식품 등급의 락트산이 사용된다. 제약학적 용도에서는 고순도 등급이 사용된다. 반면에, 락티드 중합체의 출발 원료로서 락트산을 사용하는 경우에는 아주 순수하고 열안정한 등급의, 특히 유리 이성질체 L- 또는 D-형이 바람직하다. 인도에는 폴리락트산(PLA)의 제조를 위한 빌딩블록인 락트산의 생산 원료로서 이용될 수 있는 재생가능한 농업 자원이 풍부하다.Various purity or grades of lactic acid are used for different applications. Low technical grades of lactic acid are used for technical purposes such as in metals and leather, and slightly refined food grade lactic acid is used in food-related applications. In pharmaceutical applications, high purity grades are used. On the other hand, when lactic acid is used as the starting material for the lactide polymers, very pure and thermally stable grades, especially the free isomer L- or D-forms, are preferred. India is rich in renewable agricultural resources that can be used as a raw material for the production of lactic acid, the building block for the production of polylactic acid (PLA).

폴리락트산(PLA)은 락트산으로부터 유도된 생분해성 중합체이다. 그것은 아주 다목적인 재료이며, 옥수수, 사탕무, 밀 및 다른 녹말이 풍부한 생산물과 같은 100% 재생가능한 자원으로부터 만들어진다. 폴리락트산은 많은 석유-기제 플라스틱과 동등하거나 그보다 나은 많은 특성을 나타내며, 이것은 폴리락트산을 다양한 용도에 적합하게 한다. 폴리락트산은 섬유 및 의료 산업뿐만 아니라 포장 산업에서의 많은 용도를 포함하여, 많은 잠재적 용도를 갖는 다목적 중합체이다. 폴리락트산은 또한 섬유 및 부직포 분야에서 많은 잠재적 용도를 가진다. 그것은 종래의 용융-방사 공정을 사용하여 다양한 섬유 형태로 쉽게 전환된다.Polylactic acid (PLA) is a biodegradable polymer derived from lactic acid. It is a very versatile material and is made from 100% renewable resources such as corn, sugar beets, wheat and other starch rich products. Polylactic acid exhibits many properties that are equal to or better than many petroleum-based plastics, making polylactic acid suitable for a variety of applications. Polylactic acid is a multipurpose polymer with many potential uses, including many uses in the textile and medical industries as well as the packaging industry. Polylactic acid also has many potential uses in the textile and nonwoven fields. It is easily converted into various fiber forms using conventional melt-spinning processes.

알려진 전 세계적인 석유자원은 80년 이내에, 천연가스는 70년 이내에, 그리고 석탄은 700년 이내에 고갈될 것으로 추정되지만, 자원 고갈에 따른 가격의 급등 때문에 그러한 고갈에 따른 경제적인 충격은 훨씬 더 빨리 다가올 수 있다. 연구 자들이 많은 석유-기제 제품에 대해서 화석연료 자원을 재생가능한 자원으로 대체하는 방향으로 연구할 필요가 있다는 것이 명백하다. 재생가능한 자원으로 만들어진 가격이 적당하고, 재활용 가능하며, 혁신적인 재료인 폴리락트산(PLA)이라고 불리는 중합체를 사용하여 진전이 이루어지고 있다. 재생가능한 농업 원료로부터 폴리락트산의 생산은 자원의 균형을 맞추고 화석연료에 대한 식물-기재 대체물을 만들려는 시도이다. 게다가, 락트산 기재 중합체의 우수한 생분해성 및 재활용성/퇴비이용성의 환경친화성은 이들의 가능성과 개발 필요성을 더욱 증가시킨다.Known worldwide petroleum resources are estimated to be depleted within 80 years, natural gas within 70 years, and coal within 700 years, but the economic impact of such depletion could come much sooner due to soaring prices from resource depletion. have. It is clear that researchers need to study fossil fuel resources as a renewable resource for many oil-based products. Progress is being made using polymers called polylactic acid (PLA), which are affordable, recyclable, and innovative materials made from renewable resources. Production of polylactic acid from renewable agricultural raw materials is an attempt to balance resources and make plant-based substitutes for fossil fuels. In addition, the good biodegradability and recyclability / compostability of the lactic acid based polymers further increase their potential and development needs.

본 발명은 이러한 방향에서의 시도로서, 녹말질 재료, 나무, 사탕수수 버개스, 밀짚, 볏짚과 같은 셀룰로오스계 재료, 사탕수수나 사탕무에서 유래한 당밀과 같은 재생가능한 농업 원료로부터 폴리락트산을 생산하는 효율적인 방법을 제공한다.The present invention attempts to produce polylactic acid from renewable agricultural raw materials such as starch materials, wood, sugar cane bagasse, straw, cellulosic materials such as rice straw, and molasses derived from sugar cane or sugar beet. Provide an efficient way.

락트산은 화학적 합성 또는 재생가능한 탄수화물 발효에 의해 상업적으로 제조될 수 있다. 온실가스방출 및 환경오염에 대한 증가한 대중의 관심과 정부의 규제에 따라, 재생가능한 생물자원을 사용하여 환경적으로 적합한 발효 생물학적 공정에 의해 생산된 락트산이 화석연료(석탄, 석유, 또는 천연가스)를 사용한 화학적 합성보다 바람직하다.Lactic acid can be produced commercially by chemical synthesis or renewable carbohydrate fermentation. In response to increased public interest in greenhouse gas emissions and environmental pollution and government regulations, lactic acid produced by environmentally suitable fermentation biological processes using renewable biomass is fossil fuels (coal, petroleum, or natural gas). It is preferable to chemical synthesis using.

폴리락트산은 새로운 물질은 아니다. 그것은 수십 년간 존재해왔다. 1932년에 듀폰의 과학자인 Wallace Carothers은 진공 하에서 락트산을 가열하여 저분자량의 생성물을 생성했다. 1954년에 듀폰은 더 개선된 Carothers의 과정을 특허받았다.Polylactic acid is not a new substance. It has existed for decades. In 1932, DuPont scientist Wallace Carothers produced lactic acid products by heating lactic acid under vacuum. In 1954 DuPont patented a further refined Carothers process.

고비용 때문에 그 후의 초점은 주로 의료 등급의 봉합실, 임플란트의 제조와 제어약물방출 용도에 집중되었다. 단량체 생산비용이 중합체의 광범한 개발을 방해했다. 최근에 글루코오스를 발효시켜 글루코오스를 락트산으로 변화시키는데 진전이 있었다. 이것은 락트산의 생산비용을 극적으로 낮추고 중합체에 대한 관심을 상당히 증가시켰다.Because of the high cost, subsequent focus has mainly focused on the manufacture of medical grade suture chambers, implants, and controlled drug release applications. The cost of monomer production hindered the widespread development of the polymer. Recently, progress has been made in fermenting glucose to convert glucose to lactic acid. This dramatically lowered the production cost of lactic acid and significantly increased interest in polymers.

락트산, 즉 2-히드록시 프로피온산 또는 α-히드록시 프로피온산은 합성 및 발효 방법에 의해 제조/생산되며, 식품 보존, 제약, 가죽 무두질 및 금속 산세에서 사용되고, 특수한 화학 공정들에서의 출발 물질이다. 락트산의 2가지 광학활성 이성질체(거울상 이성질체) 형태는 L(+) 또는 S(+) - 우선성 및 D(-) 또는 R(-) - 좌선성으로 표시하며, 아래 나타낸다.Lactic acid, ie 2-hydroxy propionic acid or α-hydroxy propionic acid, is produced / produced by synthetic and fermentation methods, is used in food preservation, pharmaceuticals, leather tanning and metal pickling and is a starting material in special chemical processes. The two optically active isomeric (enantiomer) forms of lactic acid are indicated as L (+) or S (+)-priorities and D (-) or R (-)-left linearities, shown below.

Figure 112006083200610-PCT00001
Figure 112006083200610-PCT00001

락트산의 화학적 합성은 두 거울상 이성질체가 동일한 비율로 존재하는 라세미 혼합물을 생성하고, 미소생물학적 과정은 거울상 이성질체 중 하나를 우세하게 생성한다.Chemical synthesis of lactic acid results in racemic mixtures in which both enantiomers are present in equal proportions, and microbiological processes predominantly produce one of the enantiomers.

L-락트산은 생분해성 중합체를 생산하는데 필요하다. L-락트산의 생산은 통상 발효 공정에서 적합한 미생물 균주를 선택하는 것에 의해서 달성된다. 그것은 글루코오스, 프럭토오스, 갈락토오스 같은 단당류, 또는 수크로오스나 락토오스 같 은 이당류가 락트산으로 전환되는 것을 포함한다. 생성물로서 락트산만을 생산하는 몇몇 동종발효 균주로는 Lactobacillus delbruekii , L. casei , L. acidophilus, L. bulgaricus가 있다. 전자는 수크로오스, 글루코오스 또는 프럭토오스를 소비하지만 락토오스는 소비하지 않고, 나중의 3개 종은 나머지 다른 당들에 더하여 락토오스와 갈락토오스를 소비한다. 락트산의 생물학적 생산은 락트산 생성으로 인한 pH 강하에 기인한 억제와 희석 수성 발효 육즙으로부터 락트산을 생산하기 위한 고가의 하류 처리공정 때문에 복잡하게 된다. 종래의 락트산 생산 방법은 배치 반응기에서 Lactobacillus 종에 의한 혐기성 발효이다. 발효 과정을 계속 유지하기 위해서 생성된 산은 알칼리로 중화되거나 발효 시스템으로부터 제거된다. 종래의 공정은 탄산칼슘이나 수산화 나트륨을 사용하여 생성된 산을 중화한다. 다음에, 용매추출, 전기투석 또는 증류, 또는 하나 이상의 공정의 조합을 포함하는 다양한 공정에 의해 상응하는 락테이트가 육즙으로부터 분리된다.L-lactic acid is needed to produce biodegradable polymers. The production of L-lactic acid is usually accomplished by selecting suitable microbial strains in the fermentation process. It includes the conversion of monosaccharides such as glucose, fructose, galactose, or disaccharides such as sucrose or lactose to lactic acid. Some homogeneous strains producing only lactic acid as products are Lactobacillus delbruekii , L. casei , L. acidophilus and L. bulgaricus . The former consumes sucrose, glucose or fructose but not lactose, and the latter three species consume lactose and galactose in addition to the other sugars. Biological production of lactic acid is complicated by inhibition due to the pH drop due to lactic acid production and expensive downstream processing for producing lactic acid from dilute aqueous fermentation broth. A conventional method for producing lactic acid is anaerobic fermentation by Lactobacillus species in a batch reactor. To maintain the fermentation process, the acid produced is neutralized with alkali or removed from the fermentation system. Conventional processes use calcium carbonate or sodium hydroxide to neutralize the acid produced. The corresponding lactate is then separated from the broth by various processes including solvent extraction, electrodialysis or distillation, or a combination of one or more processes.

폴리락트산의 생산에는 탄수화물 원료와 같은 재생가능한 식용 자원으로부터 생화학적으로 생성된 우세한 L-락트산으로부터 얻어진 고순도 락티드가 필요하다. 종래의 산업적 공정은 발효 육즙으로부터 생물자원을 제거한 후 산성화, 정제, 농축 및 중합하는 것을 포함한다. 본 발명은 당밀이나 사탕수수 버개스 가수분해물과 같은 값싼 재생가능한 농업 원료의 발효로부터 L-락트산이 우세하게 생성되는 효율적인 방법을 설명하며, 여기서는 이와 같은 원료가 동시에 분리, 정제 및 농축되어 조 락티드를 생성하고, 이것은 더 정제한 후 폴리락트산으로 중합된다.The production of polylactic acid requires high purity lactide obtained from the predominant L-lactic acid biochemically produced from renewable edible sources such as carbohydrate raw materials. Conventional industrial processes include the removal of biomass from fermentation broth followed by acidification, purification, concentration and polymerization. The present invention describes an efficient way in which L-lactic acid is predominantly produced from fermentation of cheap renewable agricultural raw materials, such as molasses or sugarcane bagasse hydrolysates, wherein such raw materials are simultaneously separated, purified and concentrated to allow crude lactide. Which is further purified and then polymerized with polylactic acid.

락트산의 발효 생산은 폴리락트산의 생산에 필요한 광학적으로 순수한 이성 질체를 얻기 위해 일반적으로 사용되는 방법이다. Carlson 등에게 권한이 있는 미국특허 No. 6475759(2002년 11월 5일)는 저 pH 락트산 발효를 제공하는데, 이것은 영양 배지에서 내산성 동종락트산 박테리아를 배양하여 높은 수준의 유리 락트산을 갖는 발효 육즙을 생산하는 것을 포함한다. 이 특허는 구체적으로 낮은 pH를 견딜 수 있는 박테리아에 관한 것이며, 그러므로 이것은 특정 박테리아 균주를 이용하는 공정에 국한된다. 여기서 이용된 발효 공정은 배치 형태이다. 더 나아가, 이 선행기술은 탄산칼슘을 사용하여 생성된 산을 중화하는데, 이것은 궁극적으로 폐기물 처리 문제를 가질 수 있는 다량의 황산칼슘(석고)을 생성하며, 황산칼슘은 바람직하지 않은 환경적 대상으로 여겨진다.Fermentation production of lactic acid is a commonly used method to obtain optically pure isomers for the production of polylactic acid. U.S. Patent No. 1, which is authorized by Carlson et al 6475759 (November 5, 2002) provides low pH lactic acid fermentation, which includes culturing acid resistant homolactic acid bacteria in a nutrient medium to produce fermentation broth with high levels of free lactic acid. This patent specifically relates to bacteria capable of withstanding low pH, and therefore it is limited to processes using specific bacterial strains. The fermentation process used here is in batch form. Furthermore, this prior art neutralizes the acid produced using calcium carbonate, which ultimately produces large amounts of calcium sulfate (gypsum) which may have waste disposal problems, which is a undesirable environmental target. Is considered.

옥수수 시럽, 녹말, 옥수수 침지수(corn-steep liquor), 옥수수 기름, 유청, 당, 사탕무 및 사탕수수 즙이 발효 공정의 원료로서 일반적으로 사용된다. 유럽특허 No. 0393818(Glessner, David A. 등)은 락트산의 생산 및 정제 공정을 제공하는데, 이것은 탄수화물, 옥수수 침지수 및 옥수수 기름을 함유하는 비싸지 않은 기질에서 탄수화물의 대부분이 락트산으로 전환될 때까지 락트산 생산 미생물을 성장시키는 단계로 이루어진다. 이들 재료는 모두 식품으로서 가치가 높다. 사실 기질의 비용이 발효에 의한 락트산의 비용 효과적인 생산에 있어 당면 문제 중 하나이다. 본 발명의 발명자들은 식품으로서 어떤 가치도 없는 제당 산업의 부산물/폐기물인 당밀 및 사탕수수 버개스 가수분해물이라는 값싼 기질을 락트산 발효의 원료로서 사용했다.Corn syrup, starch, corn-steep liquor, corn oil, whey, sugar, sugar beet and sugarcane juice are commonly used as raw materials for the fermentation process. European Patent No. 0393818 (Glessner, David A., et al.) Provides a process for the production and purification of lactic acid, which is responsible for lactic acid producing microorganisms until most of the carbohydrates are converted to lactic acid in inexpensive substrates containing carbohydrates, corn steep liquor and corn oil. Growing stage. All of these materials are valuable as foods. In fact, the cost of the substrate is one of the challenges in the cost effective production of lactic acid by fermentation. The inventors of the present invention used inexpensive substrates of molasses and sugarcane bagasse hydrolysates, by-products / waste of the sugar industry, which have no value as food, as raw materials for lactic acid fermentation.

상기 언급된 특허는, 저렴한 비용의 발효 배지로부터 락테이트 염을 고농도 로 생산하는 락테이트 생산 미생물의 건강한 균주를 사용하여 발효시키는 공정, 및 종래의 전기투석법을 이용하여 세포 및 질소성 불순물을 함유하는 전체 육즙으로부터 락테이트를 회수 및 농축하고, 물 분해 전기투석법을 이용하여 얻어진 락테이트를 락트산으로 전환하고, 이온-교환제로 염기 처리하여 락트산으로부터 하전된 불순물들을 제거하는 정제 과정에 의한, 락트산의 생산 및 정제 공정에 관한 것이다. 이 방법은 다른 에너지원보다 오히려 비싼 전기 에너지를 사용하여 공정을 진행시킨다는 점에서 제한적이다. 더구나, 전기투석 과정에서 사용되는 중합체 막은 불순물에 매우 민감하므로, 당밀의 발효 생성물에 이들을 적용하는 것은 고가의 정제 작업을 필요로 한다.The above-mentioned patent contains a process for fermenting using healthy strains of lactate producing microorganisms that produce high concentrations of lactate salts from low-cost fermentation medium, and containing cellular and nitrogenous impurities using conventional electrodialysis. Lactate is recovered and concentrated from the whole broth, and the lactic acid is converted into lactic acid obtained by water decomposition electrodialysis and converted into lactic acid, followed by a base treatment with an ion-exchanger to remove charged impurities from lactic acid. Relates to the production and purification process. This method is limited in that it uses expensive electrical energy rather than other energy sources to proceed with the process. Moreover, the polymer membranes used in the electrodialysis process are very sensitive to impurities, so their application to the fermentation products of molasses requires expensive purification operations.

유럽특허 No. 0790229A1(Donald McOulgg 등)은 락트산을 흡수할 수 있는 3차 아민기나 피리딘기를 갖는 고체-상 자유 염기 중합체와 배지를 접촉시킴으로써 배지로부터 락트산을 회수하는 공정을 설명한다. 락트산은 이후 강산이나 온수를 사용하여 탈착된다. 발효 육즙에 있는 다른 바람직하지 않은 이온 종 및 산 종에 의한 수지의 충전, 높은 재생 효율의 요건 및 육즙에 존재하는 큰 유기분자인 색소에 의한 이들 수지의 오염이 이 공정의 주요 제한요소이다.European Patent No. 0790229A1 (Donald McOulgg et al.) Describes a process for recovering lactic acid from a medium by contacting the medium with a solid-phase free base polymer having a tertiary amine group or a pyridine group capable of absorbing lactic acid. Lactic acid is then desorbed using strong acid or hot water. Filling of resins by other undesirable ionic and acidic species in fermented broth, requirements for high regeneration efficiency, and contamination of these resins by pigments, which are large organic molecules present in the broth, are the major limitations of this process.

미국특허 No. 6,569,989(Ohara 등), 미국특허 No. 6,326,458(Gruber 등) 및 WO 93/00440(Michael Cockrem 등)은 발효에 의해 얻어진 락트산으로부터 락티드 및 폴리락트산을 생산하는 공정에 관한 것으로서, 락트산으로부터 락테이트 에스테르를 합성하고, 락테이트 에스테르를 증류하고, 촉매의 존재하에 락테이트 에스테르를 중축합하여 5000 내지 15000 범위의 분자량의 프레폴리머를 얻고, 프레폴리머를 해중합하여 락티드를 얻고, 그것을 개환 중합함으로써 폴리락트산을 얻는다. 원한다면 에스테르를 가수분해하여 락트산을 생성한다. 이 공정은 2단계의 에너지 집중 증류를 포함하며, 게다가 라세미화 가능성을 가진다.U.S. Patent No. 6,569,989 to Ohara et al., US Pat. 6,326,458 (Gruber et al.) And WO 93/00440 (Michael Cockrem et al.) Relate to a process for producing lactide and polylactic acid from lactic acid obtained by fermentation, which synthesizes lactate esters from lactic acid, distills lactate esters and , Polycondensation of the lactate ester in the presence of a catalyst to obtain a prepolymer having a molecular weight in the range of 5000 to 15000, depolymerization of the prepolymer to obtain a lactide, polycyclic acid is obtained by ring-opening polymerization. If desired, the ester is hydrolyzed to produce lactic acid. This process involves two stages of energy intensive distillation, with the potential for racemization.

미국특허 No. 6,472,559(Avraham 등), 유럽특허 No. 0804607B1(Abraham. M. Baniel, 등) 및 미국특허 No. 6,087,532(Abraham. M. Baniel)는 CO2의 존재하에 혼합 용매를 사용하여 발효 육즙으로부터 락트산을 분리 및 회수하고, 80℃ 내지 240℃의 승온에서 물로 역-추출하는 공정을 설명한다. 이 공정은 일반적으로 원료 용액을 예비농축하여 40% 내지 70% 수준까지 물을 제거하는 단계를 포함하는데, 이것은 에너지 집중적이다. 이 공정은 고분자량 트리알킬 아민과 같은 비싼 용매의 사용, 용매 혼합물의 취급 어려움, 이들의 회수 및 다른 관련된 문제들과 같은 제한요소를 가진다.U.S. Patent No. 6,472,559 to Avraham et al., European Patent No. 0804607B1 (Abraham. M. Baniel, et al.) And US Pat. 6,087,532 (Abraham. M. Baniel) describes a process for separating and recovering lactic acid from fermentation broth using mixed solvents in the presence of CO 2 and back-extracting with water at elevated temperatures between 80 ° C and 240 ° C. This process generally involves preconcentrating the raw material solution to remove water to levels between 40% and 70%, which is energy intensive. This process has limitations such as the use of expensive solvents such as high molecular weight trialkyl amines, the difficulty in handling solvent mixtures, their recovery and other related problems.

미국특허 No.5,310,865(Katashi Enomoto 등)는 유기용매를 함유하는 반응 혼합물에서 히드록시카르복실산 또는 올리고머의 탈수축합을 수행함에 의해 폴리히드록시 카르복실산을 제조하는 공정을 개시한다. 유기용매는 공비 증류에 의한 축합에서 물을 제거하는데 사용된다. 많은 용도에서 요구되는 1,00,000 이상의 대단히 높은 분자량의 중합체의 제조는 미량 수분의 제거와 관련된 어려움을 고려할 때 이 공정의 제한요소 중 하나이다.U.S. Patent No. 5,310,865 (Katashi Enomoto et al.) Discloses a process for preparing polyhydroxy carboxylic acids by carrying out dehydration of hydroxycarboxylic acids or oligomers in a reaction mixture containing an organic solvent. Organic solvents are used to remove water from condensation by azeotropic distillation. The preparation of very high molecular weight polymers of more than 1,00,000 required in many applications is one of the limitations of this process given the difficulties associated with the removal of trace moisture.

미국특허 No. 6,326,458(Patrick Richard Gruber 등)에 개시된 락티드 및 락티드 중합체의 제조를 위한 연속 공정은 촉매의 존재하에 락트산 또는 락트산의 에 스테르로부터 락티드 및 락티드 중합체를 제조하여, 조 폴리락트산, 프레폴리머 및 에스테르의 경우 반응 부산물을 얻는 것을 포함한다. 프레폴리머로부터 얻어진 조 락티드는 중합에 사용하기 전 다시 증류하여 정제된다. 출발 물질로서 락트산 에스테르를 사용한 경우의 부산물 생성 및 조 락티드 증류의 에너지 집중 단계는 이 공정의 비용을 실질적으로 추가시키는 제한요소이다.U.S. Patent No. A continuous process for the preparation of lactide and lactide polymers disclosed in 6,326,458 (Patrick Richard Gruber et al.) Produces lactide and lactide polymers from esters of lactic acid or lactic acid in the presence of a catalyst, thereby preparing crude polylactic acid, prepolymers. And in the case of esters, obtaining reaction byproducts. Crude lactide obtained from the prepolymer is purified by distillation again before use in the polymerization. By-product generation and crude concentration of crude lactide distillation when using lactic acid ester as starting material is a limiting factor that substantially adds to the cost of this process.

발효에 의한 락트산의 생산을 위한 선행기술 방법은 모두 박테리아의 성장을 위한 비교적 순수한 기질 및/또는 락트산의 분리를 위한 복합체 및 독성 용매를 필요로 한다. 또한, 용매를 회수하는데 어려움이 있고, 증류에 의해 그러한 용매를 분리하는데는 높은 에너지가 이용된다. 따라서, 이들 공정은 비용이 많이 들고 시간 소모적이다. 일부 선행기술은 영양 배지에서 내산성 동종락트산 박테리아를 배양하여, 높은 수준의 유리 락트산을 갖는 발효 육즙을 생산하는 것을 포함하는 저 pH 락트산 발효를 제공한다. 더 나아가, 선행기술은 생성된 산을 중화하는데 탄산칼슘을 사용하며, 이것은 궁극적으로 다량의 황산칼슘(석고)을 생성하는데, 이것은 황산칼슘이 바람직하지 않은 환경적 대상으로 여겨지기 때문에 폐기물 처리 문제를 지닐 수 있다.Prior art methods for the production of lactic acid by fermentation all require relatively pure substrates for bacterial growth and / or complexes and separation of lactic acid and toxic solvents. In addition, it is difficult to recover the solvent, and high energy is used to separate such solvent by distillation. Thus, these processes are expensive and time consuming. Some prior art provides low pH lactic acid fermentation comprising culturing acid resistant homolactic acid bacteria in a nutrient medium to produce fermented gravy having high levels of free lactic acid. Furthermore, the prior art uses calcium carbonate to neutralize the produced acid, which ultimately produces a large amount of calcium sulfate (gypsum), which solves the waste disposal problem because calcium sulfate is considered an undesirable environmental target. I can have it.

현재의 긴박한 필요의 관점에서, 본 과학자들은 재생가능한 비-식용 농업 원료의 발효로부터 폴리락트산을 생산하는 새로운 방법을 개발했다.In view of the current urgent needs, the scientists have developed a new method of producing polylactic acid from fermentation of renewable non-edible agricultural raw materials.

본 발명에 따라서, 재생가능한 비-식용 농업 원료의 발효로부터 폴리락트산이 생산되며, 본 방법은 녹말질 기질을 원료로서 사용하는 종래의 공정에 비해 비교적 저렴하다.According to the present invention, polylactic acid is produced from fermentation of renewable non-edible agricultural raw materials, the process being relatively inexpensive compared to conventional processes using starch substrate as raw material.

본 방법에서 pH 조정은 암모니아를 사용하여 행하며, 암모니아는 종래의 공정에서처럼 염 침전물(석고)을 형성하지 않는다. 본 방법은 염 침전물 형성이 없으므로, 본 발명에 의하면 폐기물 처리 문제에 관련된 문제가 해결된다.In this method, pH adjustment is performed using ammonia, which does not form salt precipitate (gypsum) as in the conventional process. Since the process does not have salt precipitate formation, the present invention solves the problem related to the waste disposal problem.

종래의 공정과 비교하여, 일부 종래의 공정에서 비싼 용매들의 혼합물 및 예비농축 단계가 사용되는 것과 비교하여, 본 발명은 주위 온도에서 단일 벌크 용매를 사용하여 발효 육즙으로부터 락트산을 분리하는 방법을 제공한다.Compared with conventional processes, compared to the use of a mixture of expensive solvents and preconcentration steps in some conventional processes, the present invention provides a method for separating lactic acid from fermented broth using a single bulk solvent at ambient temperature. .

더 나아가, 본 발명은, 본 방법에서 용매의 재생/회수가 고온 작업 및/또는 증류의 어떤 에너지 단계 없이도 거의 정량적인 방법을 제공한다. 따라서, 재생된 용매는 어떤 추가의 처리 없이 추출을 위해 재순환된다.Furthermore, the present invention provides a nearly quantitative method in this process without any energy step of regeneration / recovery of the solvent at high temperature operation and / or distillation. Thus, the regenerated solvent is recycled for extraction without any further treatment.

본 방법에서 예비중합 및 락티드 형성 단계는 단일 유닛 작업으로 합쳐진다. 또한, 본 발명은 일부 종래의 공정에서 이용된 에너지 추진 과정 대신에, 주위 온도에서 친화성 추진 과정을 이용하여 분리, 농축 및 정제가 동시에 달성되는 방법을 제공한다.In this method the prepolymerization and lactide forming steps are combined in a single unit operation. In addition, the present invention provides a process wherein separation, concentration and purification are achieved simultaneously using an affinity propulsion process at ambient temperature instead of the energy propulsion process used in some conventional processes.

본 발명자들에 의해 개발된 본 방법은 종래의 공정과 비교하여 효율적이고, 비용 효과적이며, 덜 번잡하다.The method developed by the inventors is efficient, cost effective and less cumbersome compared to conventional processes.

발명의 목적Purpose of the Invention

본 발명의 목적은 출발 물질로서 재생가능한 농업 원료로부터 폴리락트산을 생산하는 효율적인 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 방법에서 추출 효율은 종래 공정에 의해 청구된 90%에 비하여 90%를 능가한다.It is an object of the present invention to provide an efficient method for producing polylactic acid from renewable agricultural raw materials as starting materials. The extraction efficiency in the process of the present invention exceeds 90% over the 90% claimed by conventional processes.

본 발명의 목적은, PLA를 제조하는 가장 효과적인 방식으로, 그리고 그에 따라 매우 비용 효과적으로, 제당 산업의 폐기 산물인 당밀 및 사탕수수 버개스 가수분해물과 같은 재생가능한 농업 원료로부터 폴리락트산을 생산하는 효율적인 방법을 제공하는 것이다.The object of the present invention is an efficient method of producing polylactic acid from renewable agricultural raw materials such as molasses and sugarcane bagasse hydrolysates, which are waste products of the sugar industry, in the most efficient manner and thus very cost-effectively for producing PLA. To provide.

본 발명의 다른 목적은 옥수수 시럽, 사탕무, 사탕수수 즙과 같은 다른 재생가능한 농업 원료에도 성공적으로 적용될 수 있는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method which can be successfully applied to other renewable agricultural raw materials such as corn syrup, sugar beet, sugar cane juice.

본 발명의 다른 목적은, 일부 다른 공정에서 비싼 용매들의 혼합물 및 발효 육즙의 예비농축이 사용되는 것과 비교하여, 주위 온도에서 단일 벌크 용매를 사용하여 발효 육즙으로부터 락트산을 분리하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for separating lactic acid from fermented broth using a single bulk solvent at ambient temperature as compared to the use of a mixture of expensive solvents and preconcentration of fermented broth in some other processes.

본 발명의 다른 목적은, 본 발명의 방법에서 용매의 재생/회수가 고온 작업 및/또는 증류의 어떤 에너지 단계 없이도 거의 정량적인 방법을 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a nearly quantitative method in the process of the invention without any energy step of regeneration / recovery of the solvent at high temperature operation and / or distillation.

본 발명의 다른 목적은, 일부 다른 공정의 온도 추진 및 에너지 집중 작업과 비교하여, 역-추출 단계에 알칼리 또는 알칼리 토금속의 수산화물을 이용하고, 친화성 추진식이고, 에너지 집중이 덜한 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an affinity-propelled, less energy-concentrating method that utilizes hydroxides of alkali or alkaline earth metals in the back-extraction step as compared to the temperature propulsion and energy concentration operations of some other processes. .

본 발명의 다른 목적은 120℃ 내지 155℃의 고온 증기 반응기에서 농축 락트산 용액을 직접 사용하여 락티드를 형성하는 방법을 제공하는 것이며, 이때 상응하는 액체 온도는 5 내지 30mmHg의 진공에서 180℃ 내지 225℃이고, 이로써 예비중합 및 락티드 형성 단계가 단일 유닛 작업으로 합쳐진다. Another object of the present invention is to provide a process for forming lactide using a concentrated lactic acid solution directly in a high temperature steam reactor at 120 ° C. to 155 ° C., wherein the corresponding liquid temperature is 180 ° C. to 225 at a vacuum of 5 to 30 mm Hg. ° C, whereby the prepolymerization and lactide forming steps are combined in a single unit operation.

본 발명의 다른 목적은 유기용매로의 결정화에 의해 락티드를 정제하는 방법을 제공하는 것이며, 여기서 모액은 재순환되어 락티드의 추가 제조를 위해 사용된다. 일부 다른 공정에서는 매우 높은 진공 및 에너지를 수반하는 진공 증류에 의한 정제가 개시된다.Another object of the present invention is to provide a method for purifying lactide by crystallization with an organic solvent, wherein the mother liquor is recycled and used for further preparation of lactide. Some other processes disclose purification by vacuum distillation involving very high vacuum and energy.

본 발명의 다른 목적은, 일부 다른 공정에서 이용된 온도 또는 전기 추진 과정 대신에, 주위 온도에서 친화성 추진 과정을 이용하여 분리, 농축 및 정제를 동시에 달성하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of simultaneously separating, concentrating and purifying using an affinity propulsion process at ambient temperature instead of the temperature or electric propulsion process used in some other processes.

본 발명의 전술한 목적 및 또 다른 목적과 이점들은 첨부된 도면과 함께 바람직한 구체예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.The above and other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 당밀의 발효로부터 폴리락트산의 생산을 나타낸 공정도이다.1 is a process chart showing the production of polylactic acid from fermentation of molasses according to one embodiment of the present invention.

발명의 상세한 설명Detailed description of the invention

본 발명은 당밀 및 사탕수수 버개스 가수분해물 원료와 같은 재생가능한 농업 원료를 이용하여 폴리락트산을 생산하는 방법을 설명한다. 사용되는 재생가능한 농업 원료는 식용이거나 비-식용일 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 원료의 락트산으로의 발효와 발효 육즙으로부터 그것을 분리하고 락티드 및 폴리락트산으로 전환하는 것을 포함한다. 본 발명에 따른 방법은 다음의 단계를 포함한다:The present invention describes a method for producing polylactic acid using renewable agricultural raw materials such as molasses and sugarcane bagasse hydrolysate raw materials. The renewable agricultural raw materials used may be edible or non-edible. The process according to the invention comprises the fermentation of the raw material to lactic acid and the separation of it from the fermentation broth and conversion to lactide and polylactic acid. The method according to the invention comprises the following steps:

i. 원료로서 사탕수수 당밀 또는 사탕수수 버개스를 사용하여 락트산 배지를 제조;i. Lactic acid medium was prepared using sugarcane molasses or sugarcane bagasse as a raw material;

ii. 락트산의 발효;ii. Fermentation of lactic acid;

iii. 락트산의 분리; 및iii. Separation of lactic acid; And

iv. 락티드 및 PLA의 제조.iv. Preparation of Lactide and PLA.

본 발명의 한 양태에서, 발효 배지는 원료로서 사탕수수 당밀 또는 사탕수수 버개스를 사용하여 제조된다.In one embodiment of the invention, the fermentation medium is prepared using sugarcane molasses or sugarcane bagasse as raw material.

본 발명에서, 발효 배지는 약 40% 내지 50%(w/w)의 발효가능한 당을 함유하는 사탕수수 당밀을 사용하여 제조되며, 원심분리하여 현탁된 물질을 제거하고 물로 희석하여, 발효가능한 당의 최종 농도를 7% 내지 10%(w/w)로 한다. 이 배지를 다른 질소 공급원 및 다른 성장 성분들로 보충한다. 대규모 공정에서 희석된 당밀 용액은 2% 내지 5%의 옥수수 침지수 및 압열멸균된 효모 페이스트로 강화된다.In the present invention, the fermentation medium is prepared using sugar cane molasses containing about 40% to 50% (w / w) of fermentable sugars, and centrifuged to remove suspended material and diluted with water, The final concentration is 7% to 10% (w / w). This medium is supplemented with other nitrogen sources and other growth components. The diluted molasses solution in a large scale process is fortified with 2% to 5% corn steep water and autoclaved yeast paste.

원료로서 사탕수수 버개스를 사용하는 발효 배지는 120℃에서 30 내지 90분간 묽은 산으로 버개스 입자를 가수분해하여 제조된다. 가수분해된 버개스를 120℃ 내지 150℃에서 15 내지 90분간 1% 내지 5%(v/v) 알칼리로 더 처리하여 탈리그닌화한다. 이와 같이 얻어진 셀룰로오스 부분을 셀룰라아제 효소로 효소 가수분해한다. 글루코오스가 풍부한 사탕수수 버개스 가수분해물은 발효 전에 질소 공급원으로 보충된다.Fermentation medium using sugarcane bagasse as a raw material is prepared by hydrolyzing bagasse particles with dilute acid at 120 ° C. for 30 to 90 minutes. The hydrolyzed bagasse is delignified by further treatment with 1% to 5% (v / v) alkali at 120 ° C to 150 ° C for 15 to 90 minutes. The cellulose portion thus obtained is enzymatically hydrolyzed with a cellulase enzyme. Glucose-rich sugarcane bagasse hydrolyzate is supplemented with a nitrogen source prior to fermentation.

본 발명에 따라서, 락트산의 발효는 Lactobacillus와 같은 박테리아 속의 균주를 사용하여 혐기성/미호기성 조건 하에서 24시간 내지 48시간 동안 배치 방식으로 수행된다. 본 발명에 따른 바람직한 구체예에서, 사용되는 Lactobacillus 균주는 L. delbrueckii이다.According to the invention, the fermentation of lactic acid is carried out in a batch manner for 24 to 48 hours under anaerobic / aerobic conditions using strains of bacteria such as Lactobacillus . In a preferred embodiment according to the invention, the Lactobacillus strain used is L. delbrueckii .

본 발명에 따라서, 발효 배지의 pH는 중화제를 사용하는 pH 조정 방식에 의해 쉽게 얻어진다. 적합한 pH 수준을 유지하기 위해 본 발명에 따라 사용될 수 있 는 중화제는 알칼리 또는 탄산염 또는 암모니아 용액으로부터 선택된다. 발효 동안 배지의 pH는 알칼리 또는 탄산염 또는 암모니아 용액을 사용하여 5.0 내지 6.0으로 일정하게 유지된다. 발효 온도는 37℃ 내지 45℃로 유지된다. 발효가 완료된 후 락트산을 함유하는 육즙을 원심분리하여 맑게 만들고, 더 이상의 하류 처리공정을 행한다.According to the invention, the pH of the fermentation medium is easily obtained by the pH adjusting method using a neutralizing agent. Neutralizers that can be used according to the invention to maintain a suitable pH level are selected from alkali or carbonate or ammonia solutions. During fermentation the pH of the medium is kept constant between 5.0 and 6.0 using alkali or carbonate or ammonia solutions. Fermentation temperature is maintained at 37 ℃ to 45 ℃. After the fermentation is complete, the broth containing lactic acid is centrifuged to clear and further downstream processing is performed.

맑아진 발효 육즙을 회전 원반 접촉기와 같은 적합한 접촉 장치를 이용하여 1:1 내지 1:5 범위의 비로 이소아밀 알코올, 부탄올, 시클로헥사논, 메틸 아세테이트 등과 같은 유기용매를 사용하여 추출한다. 추출물을 취하여 더 이상의 처리공정을 행한다. 본 발명에 의해서 얻을 수 있는 추출 효율은 90% 이상이다. 락트산 함유 추출물을 1:3 내지 1:10의 비로 암모니아, 석회수, 부식제 등과 같은 수성 알칼리와 접촉시킨다. 혼합물을 1시간 교반하고 2시간 정치시켜 상 분리가 일어나도록 한다. 락트산 염을 함유하는 수성 상을 유기 추출용매로 분리하고 그것을 취하여 하류 처리공정을 행한다. 유기층은 추출 과정으로 재순환된다. 락트산 염을 함유하는 수성 상을 무기산으로 처리하여 락트산을 분리하고, 만일 염이 형성되었다면 원심분리하여 수집한다. 이와 같이 얻어진 조 락트산을 양이온계 수지로 처리하여 어떤 미량 금속 이온을 제거하고, 진공 증류에 의해 적어도 5 내지 6배 농축한다.The cleared fermentation broth is extracted using an organic solvent such as isoamyl alcohol, butanol, cyclohexanone, methyl acetate, etc. in a ratio ranging from 1: 1 to 1: 5 using a suitable contact device such as a rotary disk contactor. The extract is taken for further treatment. The extraction efficiency obtained by the present invention is 90% or more. The lactic acid containing extract is contacted with an aqueous alkali such as ammonia, lime water, caustic and the like in a ratio of 1: 3 to 1:10. The mixture is stirred for 1 hour and left for 2 hours to allow phase separation. The aqueous phase containing the lactic acid salt is separated with an organic extractant and taken up and subjected to downstream treatment. The organic layer is recycled to the extraction process. The aqueous phase containing the lactic acid salt is treated with an inorganic acid to separate the lactic acid and, if a salt is formed, collected by centrifugation. The crude lactic acid thus obtained is treated with a cationic resin to remove any trace metal ions and concentrated at least 5 to 6 times by vacuum distillation.

본 발명의 다른 양태에서, 농축 락트산은 진공 및 가열 설비가 장착된 재킷이 씌워진 교반 탱크 반응기에서 락티드로 전환된다. 초기에 내용물을 120℃ 내지 150℃로 가열하여 물을 제거한 후, 0.05% 내지 2.0%(w/w)의 범위로 촉매를 가한다. 반응을 5 내지 24시간 더 계속시키는데, 이때 온도는 140℃에서 275℃까지 점진적으로 증가시키고, 진공은 1 내지 20mmHg까지 점진적으로 증가시킨다. 잔류한 물을 제거한 후, 형성된 락티드를 증류하여 냉각된 수집용기에 수집한다.In another aspect of the invention, the concentrated lactic acid is converted to lactide in a jacketed stirred tank reactor equipped with vacuum and heating equipment. Initially, the contents are heated to 120 ° C. to 150 ° C. to remove water, and then the catalyst is added in the range of 0.05% to 2.0% (w / w). The reaction is continued for another 5 to 24 hours, with the temperature gradually increasing from 140 ° C. to 275 ° C. and the vacuum gradually increasing to 1-20 mm Hg. After the remaining water is removed, the formed lactide is distilled off and collected in a cooled collection vessel.

얻어진 락티드를 에틸 아세테이트, 톨루엔 또는 알코올 같은 유기용매로 결정화하여 더 정제한다. 정제된 락티드를 교반 탱크 반응기에서 적합한 촉매의 존재하에 중합한다. 온도는 1 내지 20시간 동안 120℃ 내지 200℃로 유지된다. 생성된 중합체, 즉 폴리락트산(PLA)을 적합한 용매에 용해하고, 응집제로서 사용되는 또 다른 용매에서 침전시켜 그것을 특성화한다. 생성된 생성물을 건조하고 특성화한다.The obtained lactide is further purified by crystallization with an organic solvent such as ethyl acetate, toluene or alcohol. Purified lactide is polymerized in the presence of a suitable catalyst in a stirred tank reactor. The temperature is maintained at 120 ° C. to 200 ° C. for 1 to 20 hours. The resulting polymer, ie polylactic acid (PLA), is dissolved in a suitable solvent and precipitated in another solvent used as flocculant to characterize it. The resulting product is dried and characterized.

본 발명의 발명자들은, 본 발명의 방법이 락트산의 발효 및 발효 육즙으로부터의 회수에 제당 산업에서의 값싼 폐기물을 효과적으로 사용한다는 점에서, PLA의 생산을 위한 이미 개시된 공정이나 알려진 기술과는 다른 새로운 방법을 개발했다. 더 나아가, 본 발명은 락티드 및 PLA의 제조를 위한 추가의 하류 처리공정을 위해 락트산을 농축하고 정제하는 방법을 제공한다. 발효 육즙에서 락트산의 대략적 농도는 약 4.5% 내지 약 5.0% w/v의 범위이며, 이것은 혼합기-침전기, 충진 칼럼, 회전 원반 접촉기, 또는 맥동 추출 칼럼과 같은 LLE 장치에서, 30분 내지 1시간 범위의 충분한 체류 시간 및 1:1, 1:1.25, 1:1.5, 1:2, 1:3, 1:4 등의 부피비로, 알코올, 케톤, 에스테르 및 에테르와 같은 적합한 유기용매를 사용하여 추출되며, 이로써 라피네이트(수성층)와 추출물(유기층) 간의 우수한 상 분리가 이루어져, 90% 이상의 추출 효율이 얻어진다. The inventors of the present invention find that the method of the present invention differs from previously disclosed processes or known techniques for the production of PLA in that the method of the present invention effectively uses cheap waste in the sugar industry for fermentation of lactic acid and recovery from fermentation broth. Developed. Furthermore, the present invention provides a process for concentrating and purifying lactic acid for further downstream processing for the production of lactide and PLA. The approximate concentration of lactic acid in the fermentation broth ranges from about 4.5% to about 5.0% w / v, which is 30 minutes to 1 hour in an LLE device such as a mixer-precipitator, filling column, rotary disc contactor, or pulsation extraction column. Extraction with suitable organic solvents such as alcohols, ketones, esters and ethers, with sufficient residence time in the range and volume ratios of 1: 1, 1: 1.25, 1: 1.5, 1: 2, 1: 3, 1: 4, etc. This results in good phase separation between the raffinate (aqueous layer) and the extract (organic layer), resulting in an extraction efficiency of at least 90%.

다음에, 락트산 및 추출물 상에 색을 부가하는 어떤 불순물을 함유하는 용매 추출물 상을, 종래의 교반기 용기에서 30분 내지 1시간 동안 적합하게 교반하면서 수산화 나트륨, 수산화 칼슘, 수산화 암모늄 등과 같은 기지 양의 알칼리 또는 알칼리 토금속 수산화물로 처리한 다음, 양호한 상 분리를 위해 추가의 시간 동안 정치하여 둔다. 락트산을 함유하는 수성층을 빼내어 하류 처리공정을 행한다. 추출물(유기층), 즉 재생된 용매가 제거되고, 다음에 LLP 장치로 다시 재순환되어 상기 언급된 대로 재사용된다.Next, a solvent extract phase containing any impurity that adds color to the lactic acid and the extract is subjected to a known amount such as sodium hydroxide, calcium hydroxide, ammonium hydroxide, etc., with proper stirring in a conventional stirrer vessel for 30 minutes to 1 hour. Treatment with alkali or alkaline earth metal hydroxides is followed by standing for an additional time for good phase separation. The aqueous layer containing lactic acid is removed and subjected to downstream treatment. The extract (organic layer), ie the regenerated solvent, is removed and then recycled back to the LLP apparatus and reused as mentioned above.

다음에, 락테이트라고 하는 락트산의 염을 함유하는 수성 상을, 락트산의 pK 값, 즉 3.86 미만의 pH에서, 더 바람직하게 3 미만의 pH에서, 가장 바람직하게 2.5 내지 3.0의 pH에서 황산과 같은 무기산으로 처리하여 금속염을 침전시킨다. 그 다음 산성화된 락테이트 용액을 원심분리하여 케이크 형태로 금속염을 제거한 후, 이것을 탈염수로 완전히 세척하여 흡수된 락트산이 있다면 그것을 추출하고, 그 다음 이것을 금속 침전 단계로 재순환시킨다. 다음에, 여과된 수성 원심분리/여과 액체를 취하여 더 이상의 하류 처리공정을 행한다.The aqueous phase containing the salt of lactic acid called lactate is then used as sulfuric acid at a pK value of lactic acid, i.e. at a pH below 3.86, more preferably at a pH of less than 3, most preferably at a pH of 2.5 to 3.0. Treatment with inorganic acid precipitates metal salts. The acidified lactate solution is then centrifuged to remove the metal salt in the form of a cake, which is then thoroughly washed with demineralized water to extract the absorbed lactic acid, if any, and then recycled to the metal precipitation step. Next, the filtered aqueous centrifugation / filtration liquid is taken and subjected to further downstream treatment.

다음에, 9% 내지 10% w/v 범위의 농도의 희석 락트산에 잔류한 금속 이온을 이온-교환 수지로 충진된 연속 칼럼에서 입구 및 출구 흐름을 적합한 유속으로 조정하면서 제거한다. 칼럼 처리 작업의 종점은 pH 값이나 금속 이온을 직접 측정하는 것에 의해 지시된다.Next, metal ions remaining in dilute lactic acid in concentrations ranging from 9% to 10% w / v are removed while adjusting the inlet and outlet flows to a suitable flow rate in a continuous column packed with ion-exchange resin. The end point of the column treatment operation is indicated by measuring the pH value or metal ion directly.

다음에, 희석 락트산 용액을 약 300 내지 350mm의 진공 및 75℃ 내지 85℃의 온도에서 1:3 내지 1:5 범위의 적합한 환류 비로 충진 증류 칼럼에서 50% 내지 60% w/v의 수준까지 농축한다. 그 다음, 주로 물인 수집된 증류액을 침전 단계로 재순환시킨다. 다음에, 증류 칼럼의 보일러 하부의 농축물을 락티드 생산 단계로 보낸다.The diluted lactic acid solution is then concentrated to a level of 50% to 60% w / v in a packed distillation column at a suitable reflux ratio in the range of 1: 3 to 1: 5 at a vacuum of about 300 to 350 mm and a temperature of 75 to 85 ° C. do. The collected distillate, mainly water, is then recycled to the precipitation step. The concentrate at the bottom of the boiler of the distillation column is then sent to the lactide production stage.

다음에, 농축 락트산을 적합한 구성 재료, 즉 교반 및 가열/냉각 설비 및 적합한 표면적의 하류 응축기가 재킷에 싸여 장착된 적합한 용량의 교반 탱크 반응기에 넣는다. 10mm 내지 30mmHg의 진공 하에 120℃ 내지 155℃의 증기 온도 및 190℃ 내지 225℃의 액체 온도에서 적합한 촉매를 사용하고 반응 과정 동안 유리된 물 및 결합된 물을 제거하면 필요한 내역의 락티드가 얻어진다. 오토클레이브의 잔류물은 미전환 락트산, 삼량체들 및 다른 고비등점 성분들을 함유한다. 락티드의 평균 수율은 이론적인 양의 75% 내지 80%이다.The concentrated lactic acid is then placed in a suitable capacity stirred tank reactor equipped with a suitable constituent material, namely a stirring and heating / cooling facility, and a downstream condenser of suitable surface area. Use of a suitable catalyst at a vapor temperature of 120 ° C. to 155 ° C. and a liquid temperature of 190 ° C. to 225 ° C. under a vacuum of 10 mm to 30 mm Hg and removal of free and bound water during the course of the reaction yields the necessary details of lactide. . The residue of the autoclave contains unconverted lactic acid, trimers and other high boiling components. The average yield of lactide is 75% to 80% of the theoretical amount.

상기와 같이 얻어진 조 락티드를 에틸 아세테이트, 에탄올, 메탄올, 부탄올 및 일군의 다른 용매들과 같은 유기용매로 결정화하여 더 정제한다. 그 다음 결정화된 락티드를 여과한다. 정제된 락티드를 어떤 용매로 더 재결정화하여 착색 물질을 완전히 제거한다. 정제된 락티드의 수율은 50% 내지 60%의 범위이다. 모액은 재처리/재순환되어 락티드를 더 생성할 수 있다.The crude lactide thus obtained is further purified by crystallization with organic solvents such as ethyl acetate, ethanol, methanol, butanol and a group of other solvents. The crystallized lactide is then filtered off. The purified lactide is further recrystallized with any solvent to completely remove the coloring material. The yield of purified lactide is in the range of 50% to 60%. The mother liquor can be reprocessed / recycled to produce more lactide.

다음에, 정제된 결정 락티드를 가열/냉각 코일을 구비한 교반 탱크 반응기에서, 약 15 내지 20시간 동안 적합하게 교반하면서 185℃ 내지 110℃로 변하는 적합한 온도 프로파일 하에서, 칼슘, 아연 또는 주석 화합물을 기재로 하는 적합한 촉매의 존재하에 중합한다. 다음에, 생성된 중합체 생성물(PLA)를 적합한 용매에 용해하고, 응집제로서 작용하는 또 다른 용매에서 침전시키고 건조한다. 다양한 용 도에서 사용될 수 있는 20,000 내지 1,00,000 범위의 분자량의 중합체가 얻어진다.Next, the purified crystalline lactide was added to the calcium, zinc or tin compound in a stirred tank reactor with heating / cooling coils under a suitable temperature profile that varied from 185 ° C to 110 ° C with proper stirring for about 15-20 hours. The polymerization is carried out in the presence of a suitable catalyst based on the catalyst. The resulting polymer product (PLA) is then dissolved in a suitable solvent, precipitated and dried in another solvent which acts as a flocculant. Polymers of molecular weight ranging from 20,000 to 1,00,000 are obtained that can be used in a variety of applications.

본 발명에 따라서, 발효는 다양한 대사산물을 생산하는 적합한 균주의 미생물 세포를 사용하여 수행될 수 있다. 락트산의 생산을 위한 본 발명에 따른 어떤 구체예에서, 사용가능한 미생물 세포는 Lactobacillus, Streptococcus, Bacillus와 같은 박테리아 속 또는 Rhizopus 같은 곰팡이의 균주로부터 선택된다. 락트산 생산을 위해 본 발명에 따라서 사용되는 Lactobacillus에 속하는 상이한 균주들은 L. delbrueckii, L. rhamnosus , L. helveticus , L. casei , L. plantarum , L. bulgari -cus, L. amylovorans , L. lactis 등으로부터 선택될 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 구체예에서 사용된 Lactobacillus 균주는 L. delbrueckii이다.According to the present invention, fermentation can be carried out using microbial cells of suitable strains which produce various metabolites. In some embodiments according to the invention for the production of lactic acid, the microbial cells usable are selected from bacteria such as Lactobacillus, Streptococcus, Bacillus or strains of fungi such as Rhizopus . Different strains belonging to Lactobacillus used according to the invention for lactic acid production are L. delbrueckii, L. rhamnosus , L. helveticus , L. casei , L. plantarum , L. bulgari- cus, L. amylovorans , L. lactis, and the like. Can be selected from. The Lactobacillus strain used in the preferred embodiment according to the invention is L. delbrueckii .

본 발명에 따라서, 발효는 연속발효 공정, 배치발효 공정 또는 유가식(fed-batch) 발효 공정 중 어느 것일 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 방법은 배치발효 공정에서 박테리아를 배양하는 단계를 포함한다.According to the present invention, the fermentation can be any of a continuous fermentation process, a batch fermentation process or a fed-batch fermentation process. Preferably, the method comprises culturing the bacteria in a batch fermentation process.

당밀로부터 PLA 또는 그것의 염을 생산하는 상기 설명된 방법의 작업 공정도가 도 1에 도시된다.The operational flow diagram of the above-described method of producing PLA or salts thereof from molasses is shown in FIG. 1.

당밀의 발효로부터 PLA를 제조하는 복수-단계 공정 사슬에 관한 본원 발명은 하기한 것에 관하여 다른 공정들을 능가하는 이점을 가진다:The present invention regarding a multi-step process chain for producing PLA from molasses fermentation has the advantage over other processes with respect to:

1. 본 방법은 제당 산업의 폐기물인 당밀이라는 재생가능한 농업 원료를 이용하여 가장 효율적인 방식으로 PLA를 제조하므로 매우 비용 효과적이다. 본 방법은 오염에 관하여 당밀에 비해 비교적 청정한 옥수수 시럽, 사탕무, 사탕수수 즙과 같은 다른 재생가능한 농업 원료에도 성공적으로 적용될 수 있다.1. This method is very cost effective because PLA is produced in the most efficient manner using renewable agricultural raw materials called molasses, which is a waste of the sugar industry. The method can be successfully applied to other renewable agricultural raw materials such as corn syrup, sugar beet, sugar cane juice, which are relatively clean compared to molasses in terms of contamination.

2. 상기 언급된 방법은, 일부 다른 공정에서 비싼 용매들의 혼합물 및 예비농축 단계가 사용되는 것과 비교하여, 주위 온도에서 발효 육즙으로부터 락트산의 분리를 위해 단일 벌크 용매를 사용한다. 다른 공정들에 의해 청구된 90%와 비교하여, 본 방법에서 추출 효율은 90% 이상이었다.2. The above-mentioned method uses a single bulk solvent for the separation of lactic acid from fermentation broth at ambient temperature as compared to the use of a mixture of expensive solvents and a preconcentration step in some other processes. In comparison with the 90% claimed by the other processes, the extraction efficiency in this method was at least 90%.

3. 본 방법에서는 고온 작업 및/또는 증류의 어떤 에너지 단계 없이도 용매의 재생/회수가 연속 단계이며 거의 정량적이다. 3. In this method, the regeneration / recovery of the solvent is continuous and almost quantitative, without any energy step of high temperature operation and / or distillation.

4. 역-추출 단계는 알칼리 또는 알칼리 토금속의 수산화물을 이용하며, 일부 다른 공정의 온도 추진 및 에너지 집중 작업과 비교하여, 친화성 추진식이고 에너지 집중이 덜하다.4. The back-extraction step uses hydroxides of alkali or alkaline earth metals and is affinity-propelled and less energy concentrated compared to the temperature propulsion and energy concentration operations of some other processes.

5. 120℃ 내지 155℃의 고온 증기 오토클레이브에서 락티드를 형성하는데 농축 락트산 용액이 직접 사용되며, 이때 상응하는 액체 온도는 5 내지 30mmHg의 진공에서 180℃ 내지 225℃이고, 이로써 예비중합 및 락티드 형성 단계가 단일 유닛 작업으로 합쳐진다.5. The concentrated lactic acid solution is used directly to form the lactide in a hot steam autoclave of 120 ° C. to 155 ° C., where the corresponding liquid temperature is 180 ° C. to 225 ° C. in a vacuum of 5 to 30 mm Hg, thereby prepolymerizing and locking The tide forming steps are combined into a single unit operation.

6. 락티드의 정제는 유기용매로의 결정화에 의해 행해지며, 모액은 재순환되어 락티드의 추가 제조에 사용된다. 일부 다른 공정에서는 매우 높은 진공 및 에너지를 수반하는 진공 증류에 의한 정제가 개시된다.6. Purification of lactide is carried out by crystallization with an organic solvent, and the mother liquor is recycled and used for further preparation of lactide. Some other processes disclose purification by vacuum distillation involving very high vacuum and energy.

7. 일부 다른 공정에서 사용되는 온도 또는 전기 추진 과정 대신에, 주위 온도에서 친화성 추진 과정을 사용하여 분리, 농축 및 정제가 동시에 달성된다.7. Instead of the temperature or electric propulsion process used in some other processes, separation, concentration and purification are simultaneously achieved using an affinity propulsion process at ambient temperature.

이제 본 발명은 어떤 실시예에 의해 예시될 것이다. 이들 실시예는 본 발명이 어떻게 실시되는지를 나타내며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 대부분의 실 험 작업은 실험실 셋업/장치를 사용하여 행했다. 본 방법의 여러 단계는 단일 공정 단계/유닛 작업으로서 연속식 또는 배치식의 실험실 스케일, 벤치 스케일, 또는 파일럿 스케일 장치를 사용하여 수행되었으며, 이것은 그러한 공정 기술을 상업적인 규모로 사용하는 것의 가능성을 증명해준다.The invention will now be illustrated by some embodiments. These examples illustrate how the invention is practiced and do not limit the invention. Most of the laboratory work was done using laboratory setups / devices. Several steps of the method were performed using a continuous or batch laboratory scale, bench scale, or pilot scale device as a single process step / unit operation, which demonstrates the feasibility of using such process technology on a commercial scale. .

실시예Example 1 One

70g/L의 최종 발효가능한 당 농도로 조정되고 옥수수 침지수(25g/L) 및 효모 추출물(10g/L)로 강화된 사탕수수 당밀을 함유하는 발효 배지 250mL에 24시간 숙성 배양한 Lactobacillus delbreuckii를 최종 농도 10%의 접종물로서 첨가했다. 발효를 Gallenkamp 배양 진탕기의 진탕 플라스크에서 150rpm, 42℃에서 72시간 동안 수행했다. 발효 육즙의 pH는 CaCO3를 사용하여 6.0으로 유지했다. 72시간이 끝난 후 락트산의 수율은 50g/L였다. Lactobacillus delbreuckii was cultured for 24 hours in 250 mL of fermentation medium containing sugar cane molasses adjusted to a final fermentable sugar concentration of 70 g / L and fortified with corn immersion water (25 g / L) and yeast extract (10 g / L). It was added as an inoculum of 10% concentration. Fermentation was carried out in a shake flask of Gallenkamp culture shaker at 150 rpm, 42 ° C. for 72 hours. The pH of the fermented broth was maintained at 6.0 using CaCO 3 . After 72 hours, the yield of lactic acid was 50 g / L.

실시예Example 2 2

사탕수수 당밀을 함유하고 25g/L 옥수수 침지수 및 10g/L 효모 추출물로 보충된 발효 배지의 2L 배치를 2.5L 생물반응기에서 가동시켰다. 초기의 당 농도는 70g/L로 조정했다. 24시간 숙성 배양한 Lactobacillus delbreuckii 200mL를 배지에 접종했다. 200rpm으로 교반하면서 42℃에서 48시간 동안 발효를 수행했다. 배지의 pH는 액체 암모니아를 사용하여 6.0으로 유지했다. 가동을 끝낸 후 락트산의 수율은 66g/L였다.A 2 L batch of fermentation medium containing sugarcane molasses and supplemented with 25 g / L corn steep water and 10 g / L yeast extract was run in a 2.5 L bioreactor. The initial sugar concentration was adjusted to 70 g / L. 200 ml of Lactobacillus delbreuckii cultured for 24 hours was inoculated into the medium. Fermentation was carried out at 42 ° C. for 48 hours with stirring at 200 rpm. The pH of the medium was maintained at 6.0 using liquid ammonia. After completion of the operation, the yield of lactic acid was 66 g / L.

실시예Example 3 3

락트산 발효 규모를 350L의 작업 용적을 갖는 500L 발효장치로 늘렸다. 사탕수수 당밀(70g/L 당으로 조정), 옥수수 침지수(25g/L) 및 효모 추출물(10g/L)을 함유하는 배지에 100L 발효장치에서 성장시킨 24시간 숙성 배양한 L. delbrueckii (35L)를 접종했다. 액체 암모니아를 사용하여 pH를 6.0으로 유지하고 200rpm으로 교반하면서 42℃에서 48시간 동안 발효를 수행했다. 락트산 수율은 50g/L였다.The lactic acid fermentation scale was increased to a 500L fermenter with a working volume of 350L. L. delbrueckii (35L) grown for 24 hours in a 100L fermenter in a medium containing sugarcane molasses (adjusted to 70g / L sugar), corn immersion water (25g / L) and yeast extract (10g / L) Was inoculated. Fermentation was carried out at 42 ° C. for 48 hours while maintaining pH at 6.0 using liquid ammonia and stirring at 200 rpm. Lactic acid yield was 50 g / L.

실시예Example 4 4

락트산 발효를 1000L 발효장치에 또한 셋업했다. 배치 사이즈는 800L였다. 배지 조성은 실시예 1과 동일하다. 이 배치를 위한 L. delbreuckii 접종물(80L)은 100L 발효장치에서 성장되었다. 200rpm으로 교반하면서 42℃에서 48시간 동안 발효를 행했다. 액체 암모니아를 사용하여 배지의 pH를 6.0으로 유지했다. 48시간 발효를 끝낸 후 락트산 수율은 55g/L였다.Lactic acid fermentation was also set up in a 1000 L fermentor. The batch size was 800L. The medium composition is the same as in Example 1. L. delbreuckii inoculum (80 L) for this batch was grown in a 100 L fermentor. The fermentation was carried out at 42 ° C. for 48 hours with stirring at 200 rpm. Liquid ammonia was used to maintain the pH of the medium at 6.0. After 48 hours of fermentation, the lactic acid yield was 55 g / L.

실시예Example 5 5

원심분리하고 pH를 2.0으로 낮춘 후, Lactobacillus delbruckii에 의한 당밀에 존재하는 당의 발효에 의해 얻어진 발효 육즙 40mL은, 색채계로 측정했을 때 락트산 5.8%(w/v), 총 당 4% 및 총 용해된 고체 20%를 함유했으며, 이것을 회전 진탕기에서 교반하면서 1:2의 부피비로 이소아밀 알코올로 30분간 용매 추출했다. 이 발효 육즙은 다양한 금속 이온을 상이한 농도로 함유했다. ICP에 의해 측정된 금속 이온 농도는 다음과 같다: 티타늄 1.76; 크롬 37.53; 망간 578.30; 철 2117.3; 코발트 42.22; 니켈 7.62; 구리 7.038; 아연 123.75; 알루미늄 52.20; 납 13.49; 몰리브덴 1.76; 비소 1.17; 나트륨 105.4; 칼륨 129.03; 마그네슘 35.07; 칼슘 11.55(모든 값은 ppm으로 표시된다). 1시간 동안 250mL 분별 깔대기에서 상 분리했다. 두 액체 상의 상호 용해로 인한 부피 변화를 고려한 후에, 동일한 부피비로 신선한 알코올을 사용하여 수성 상을 다시 추출했다. 이러한 액체-액체 추출을 5회 행한 후에, 라피네이트를 7000rpm으로 15분간 원심분리하여 반출된 유기 상을 제거하고 락트산에 대해 분석했다. 질량 균형으로부터, 용매에서 락트산의 회수율은 94%이고, 당의 제거율은 90% 이상인 것으로 추정되었다.After centrifugation and the pH lowered to 2.0, 40 mL of fermented broth obtained by fermentation of sugars present in molasses by Lactobacillus delbruckii was determined to be 5.8% (w / v) lactic acid, 4% total sugar and total dissolved as measured by colorimetric system. It contained 20% solids, which was solvent extracted with isoamyl alcohol in a volume ratio of 1: 2 with stirring on a rotary shaker for 30 minutes. This fermentation broth contained various metal ions at different concentrations. The metal ion concentrations measured by ICP were as follows: titanium 1.76; Chromium 37.53; Manganese 578.30; Iron 2117.3; Cobalt 42.22; Nickel 7.62; Copper 7.038; Zinc 123.75; Aluminum 52.20; Lead 13.49; Molybdenum 1.76; Arsenic 1.17; Sodium 105.4; Potassium 129.03; Magnesium 35.07; Calcium 11.55 (all values are in ppm). Phase separated in 250 mL separatory funnel for 1 hour. After taking into account the volume change due to the mutual dissolution of the two liquid phases, the aqueous phase was extracted again with fresh alcohol at the same volume ratio. After five such liquid-liquid extractions, the raffinate was centrifuged at 7000 rpm for 15 minutes to remove the exported organic phase and analyzed for lactic acid. From the mass balance it was estimated that the recovery of lactic acid in the solvent was 94% and the removal of sugar was at least 90%.

실시예Example 6 6

실시예 5에 설명된 것과 유사한 pH 2의 발효 육즙 10mL를 250mL 원뿔 플라스크에서 디이소프로필 에테르(DIE) 100mL와 혼합하고, 1시간 동안 회전 진탕기에 두었다. 추출 과정 동안 에멀젼 형성이 관찰되었으며, 이것을 7000rpm으로 원심분리하여 상 분리했다. DIE로 수성 상을 연속 4-단계 반복 추출하여 실질적으로 무색의 조합된 유기 상을 얻었으며, 이것은 수성 상에서 락트산 농도가 5.8%에서 1.8%로 감소함에 따른 색의 거의 완전한 제거(> 99%)를 나타낸다. 10 mL of fermentation broth, pH 2, similar to that described in Example 5, was mixed with 100 mL of diisopropyl ether (DIE) in a 250 mL conical flask and placed on a rotary shaker for 1 hour. Emulsion formation was observed during the extraction process, which was phase separated by centrifugation at 7000 rpm. Continuous four-step repeated extraction of the aqueous phase with DIE yielded a substantially colorless combined organic phase, which nearly eliminated color removal (> 99%) as the lactic acid concentration decreased from 5.8% to 1.8%. Indicates.

실시예Example 7 7

락트산 농도(7.7wt%)가 증가된 pH 2의 발효 육즙 50mL를 250mL 용량의 분별 깔대기에서 시클로헥사논 100mL로 액체/액체 추출했다. 혼합물을 1시간 동안 완전히 혼합하고 정치하여 두었다. 2개 상의 분리 후, 하부 수성 상을 2회 더 액체/액체 추출했다. 3-단계 추출 후, 라피네이트는 0.8wt%의 락트산을 가졌으며, 이것은 90%의 회수율을 나타낸다. 발효 육즙으로부터 당 및 색의 제거라는 측면에서 추출 은 모두 유리했다. 발효 육즙에 대해 각각 0.23 및 5.6인 것과 비교하여, 최초 추출 후 유기층은 당-대-락트산 비가 0이고, 색-대-락트산 비는 0.65이었다.50 mL of fermented broth at pH 2 with increased lactic acid concentration (7.7 wt%) was liquid / liquid extracted with 100 mL of cyclohexanone in a 250 mL volumetric funnel. The mixture was thoroughly mixed for 1 hour and left to stand. After separation of the two phases, the lower aqueous phase was twice more liquid / liquid extracted. After 3-step extraction, the raffinate had 0.8 wt% lactic acid, which showed a recovery of 90%. Extraction was both advantageous in terms of removing sugar and color from the fermentation broth. Compared to 0.23 and 5.6 for fermentation broth, the organic layer after the first extraction had a sugar-to-lactic acid ratio of 0 and a color-to-lactic acid ratio of 0.65.

실시예Example 8 8

실시예 5에서 사용된 발효 육즙을 사용하여 1-부틸 알코올을 락트산에 관한 발효 효율에 대해 시험했다. 사용된 육즙-대-추출용매 비는 중량으로 1:0.73이었다. 혼합물을 회전 진탕기에 1시간 동안 두었고, 휴면 조건 하에서 1시간 더 정치시켜 상 분리가 일어나도록 했다. 이와 같이 얻어진 추출물 상을 1N NaOH로 더 추출했으며(부피비 1:2, 회전 진탕기에서 1시간 혼합), 이때 알칼리성 상은 나트륨 락테이트를 16.2g/L 함유했다.Fermentation broth used in Example 5 was used to test 1-butyl alcohol for fermentation efficiency with respect to lactic acid. The juicy-to-extractant ratio used was 1: 0.73 by weight. The mixture was placed on a rotary shaker for 1 hour and allowed to stand for an additional hour under dormant conditions to allow phase separation to occur. The extract phase thus obtained was further extracted with 1N NaOH (volume ratio 1: 2, mixed for 1 hour on a rotary shaker), wherein the alkaline phase contained 16.2 g / L sodium lactate.

실시예Example 9 9

실험에서, 회전 진탕기를 사용하여 1시간 동안 마개가 있는 500mL 유리병에서, 에탄산의 에틸 에스테르 150mL로 이루어진 추출용매와 실시예 3에서 사용된 발효 육즙의 그 중량의 46%를 접촉시킨 다음, 내용물을 500mL 분별 깔대기로 옮기고 가만히 그대로 두어 상 분리가 일어나도록 했다. 라피네이트를 신선한 추출용매와 동일한 부피비로 다시 접촉시켰다. 3회의 연속 추출 후, 소비된 수성 상은 락트산 농도의 감소를 나타냈으며, 최종 수준은 초기 값의 21%에 불과했다. 육즙의 색이 암갈색이었던 반면에, 조합된 추출물은 거의 색을 나타내지 않았다. 희석 효과를 제외한 후, 색의 약 98%는 라피네이트에 의해 보유된 것으로 나타났다.In the experiment, a rotary shaker was used to contact 46% of the weight of the fermentation broth used in Example 3 with an extractant consisting of 150 mL of ethyl ester of ethane in a capped 500 mL glass bottle for 1 hour, and then the contents Were transferred to a 500 mL separatory funnel and left alone to allow phase separation. The raffinate was contacted again at the same volume ratio as the fresh extractant. After three consecutive extractions, the aqueous phase consumed showed a decrease in lactic acid concentration and the final level was only 21% of the initial value. While the juice was dark brown in color, the combined extracts showed little color. After excluding the dilution effect, about 98% of the color was retained by the raffinate.

실시예Example 10 10

락트산 함량이 72g/L인 발효 육즙을 사용하여 1-옥탄올에 의한 추출 효율에 대한 pH 효과를 조사했다. 첫 번째 경우 pH 6.2의 육즙을 그대로 사용했고, 두 번째 육즙 샘플의 pH는 3.5로 조정했고, 세 번째 것의 pH는 3.0으로 조정했다. 모든 경우에, 5mL의 육즙을 10mL의 알코올과 접촉시키고, 30분간 손으로 혼합하고, 적합한 기간 정치시켜 상 분리했다. 라피네이트 중의 락트산을 측정하여, pH 6.2, 3.5 및 3.0의 예비추출에 상응하는 락트산의 회수율이 각각 < 1%, 22% 및 44%인 것을 확인했다. 이와 같이, 더 낮은 pH 값은 추출 효율을 상당한 정도까지 증진시킨다.Fermentation broth with a lactic acid content of 72 g / L was used to investigate the pH effect on the extraction efficiency with 1-octanol. In the first case, the juice of pH 6.2 was used as it was, the pH of the second juicy sample was adjusted to 3.5, and the pH of the third was adjusted to 3.0. In all cases, 5 mL of broth was contacted with 10 mL of alcohol, mixed by hand for 30 minutes, and allowed to stand for a suitable period to phase separate. Lactic acid in raffinate was measured to confirm that the recovery rates of lactic acid corresponding to the pre-extraction of pH 6.2, 3.5 and 3.0 were <1%, 22% and 44%, respectively. As such, lower pH values enhance the extraction efficiency to a significant extent.

실시예Example 11 11

락트산 56g/L를 함유하는 pH 2의 발효 육즙을 1-부탄올로 적합한 횟수 추출하여, 용매 100mL 당 락트산 1.6g가 있는 농후한 유기 추출물을 생성했다. 이 유기 추출물 중 32mL를 3%(w/v) NH3를 함유하는 수성 암모니아 8mL와 접촉시키고, 진탕기에서 30분간 혼합했다. 내용물을 1시간 정치하여 상 분리했고, 색채계로 수성층의 락트산을 측정했다. 수성층은 55.7g/L 락트산을 함유한 것으로 나타났으며, 이것은 87%의 회수율을 나타낸다. 락트산이 들어 있는 용매의 또 다른 32mL를 상기 나타낸 조건 하에서 4%(w/v) 수성 암모니아 8mL를 사용하여 추출했다. 수성 상은 60.9g/L 락트산, 즉 95% 회수율을 갖는 것으로 나타났다.The fermentation broth at pH 2 containing 56 g / L lactic acid was extracted a suitable number of times with 1-butanol to produce a rich organic extract with 1.6 g of lactic acid per 100 mL of solvent. 32 mL of this organic extract was contacted with 8 mL of aqueous ammonia containing 3% (w / v) NH 3 and mixed for 30 minutes on a shaker. The contents were allowed to stand for 1 hour to phase separate, and the lactic acid of the aqueous layer was measured with a colorimeter. The aqueous layer was found to contain 55.7 g / L lactic acid, indicating 87% recovery. Another 32 mL of the solvent containing lactic acid was extracted using 8 mL of 4% (w / v) aqueous ammonia under the conditions indicated above. The aqueous phase was found to have 60.9 g / L lactic acid, ie 95% recovery.

유사한 방식으로, 상기 사용된 발효 육즙을 알코올로 적합한 횟수 추출하여 락트산 1.58%(w/v)를 함유하는 이소아밀 알코올을 얻었다. 이 추출물 중 32mL를 4:1의 부피비로 6%(w/v) 수성 암모니아를 사용하여 역-추출했다(30분 혼합, 1시간 정치). 수성층의 락트산 농도는 63.1g/L이었으며, 이것은 역-추출 단계의 효율이 98% 이상인 것을 나타낸다.In a similar manner, the fermented broth used above was extracted an appropriate number of times with alcohol to obtain isoamyl alcohol containing 1.58% (w / v) lactic acid. 32 mL of this extract was back-extracted with 6% (w / v) aqueous ammonia in a volume ratio of 4: 1 (30 min mixing, 1 hour standing). The lactic acid concentration of the aqueous layer was 63.1 g / L, indicating that the efficiency of the back-extraction step is at least 98%.

실시예Example 12 12

1-부탄올로 발효 육즙(실시예 7에서 사용된 것이다)을 추출하여 얻어진 락트산 18.1g/L를 함유하는 농후 부탄올 추출물을 수산화 칼슘 수성 현탄액으로 역-추출했다. 수산화 칼슘 2.5g이 20mL 물에 현탁된 현탁액을 유기 추출물 200mL에 가하고, 혼합물을 플라스크에서 1시간 동안 기계 교반했다. 1시간 정치한 후에 어떤 고체와 함께 수성 상이 분리되었다. 총 20개의 플라스크를 유사하게 처리하여, 농후 부탄올 추출물 4L에 대한 역-추출을 완료했다. 수성 상을 조합하고, 진한 황산을 사용하여 pH를 2~2.1까지 낮추었다. 여과하여 침전된 황산칼슘을 제거했다; 이 단계에서 부피는 486mL였다. 여과물에서 락트산 농도를 분석하여 141.5g/L의 값을 얻었으며, 이것은 95%의 역-추출 효율에 상응한다.The concentrated butanol extract containing 18.1 g / L lactic acid obtained by extracting the fermentation broth (as used in Example 7) with 1-butanol was back-extracted with an aqueous calcium hydroxide suspension. A suspension of 2.5 g of calcium hydroxide suspended in 20 mL water was added to 200 mL of the organic extract, and the mixture was mechanically stirred in the flask for 1 hour. After standing for 1 hour the aqueous phase was separated with some solid. A total of 20 flasks were similarly treated to complete back-extraction for 4 L of rich butanol extract. The aqueous phases were combined and the pH lowered to 2-2.1 with concentrated sulfuric acid. Filtration to remove precipitated calcium sulfate; At this stage the volume was 486 mL. The lactic acid concentration in the filtrate was analyzed to give a value of 141.5 g / L, which corresponds to 95% back-extraction efficiency.

실시예Example 13 13

L/D 비 96:4의 락트산 45mg/mL를 함유하는 발효 육즙 450L를 회전 원반 접촉기에서 연속하여 용매와 접촉시켰다. 추출용매가 유닛의 하부에서 도입되는 동시에 발효 육즙이 상부로부터 공급된다. 상 분리 후, 추출장치 상부로부터는 추출물 상을, 하부로부터는 라피네이트를 계속적으로 수집했다. 두 상의 유속은 10 내지 50Kg/시간 범위에서 변화되었다. 정류상태에 도달한 후, 발효 육즙에 대해 10Kg/시간, 용매에 대해 30Kg/시간의 유동 조건 하에서, 추출용매에서 락트산의 농도는 1.6wt%인 것으로 나타났으며, 이것은 95% 이상의 회수율을 나타낸다.450 L of fermented broth containing 45 mg / mL of lactic acid with an L / D ratio of 96: 4 was continuously contacted with the solvent in a rotary disk contactor. Extraction solvent is introduced at the bottom of the unit while fermentation broth is fed from the top. After phase separation, the extract phase was collected continuously from the top of the extractor and the raffinate from the bottom. The flow rates of the two phases varied in the range of 10-50 Kg / hour. After reaching the steady state, under flow conditions of 10 Kg / hour for fermentation broth and 30 Kg / hour for solvent, the concentration of lactic acid in the extractant was found to be 1.6 wt%, indicating a recovery of 95% or more.

실시예Example 14 14

실시예 13에 설명된 대로 발효 육즙으로부터 얻어진 1.6wt% 락트산을 함유하는 용매 추출물 1260Kg을 2시간 동안 3000L 연속교반 탱크 반응기(CSTR)에서 탈염수 156Kg에 용해/분산된 석회 26Kg과 혼합하고, 반응 혼합물을 2시간 정치시켜 상 분리가 일어나도록 했다. 하부 수성 상이 락트산을 대부분 함유했으며, 상부의 재생된 용매 상을 취하여 신선한 육즙으로부터 락트산을 액체-액체 추출했다. 반응기 하부로부터 204Kg의 수성 락테이트 상을 얻었으며, 이것은 질량 균형에 기초하여 99% 이상의 락트산 회수율을 나타낸다. 이와 같이 얻어진 수성 역-추출물을 내부가 유리인 연속교반 탱크 반응기에서 진한 황산을 사용하여 pH 2~2.5로 산성화하여 락테이트를 락트산으로 전환했다. 다음에, 산성화된 역-추출물을 원심분리하여 침전된 황산칼슘을 제거했다. 탈염수 30Kg을 사용하여 침전물을 세척하여 반출된 락트산을 회수했다. 다음에, 이와 같이 얻어진 락트산을 함유하는 여과물을 연속 칼럼 작업 조건 하에서 시간 당 3~5 충전 부피의 속도로 양이온-교환 수지를 함유하는 칼럼을 통과시켰다. 이러한 처리 후 칼럼 유출물의 pH는 1.5~2.0의 수준으로 감소한 것으로 나타났다. 잔류 락트산을 회수하기 위해서 수지 칼럼을 2 충전 부피의 탈염수로 헹구어 수지 칼럼으로부터 포획된 락트산을 완전히 회수했다. 이와 같이 얻어진 암갈색의 수성 락트산 용액 275Kg을 80℃ 내지 84℃에서 350mmHg의 진공에서 일련의 응축기를 통하여 3:1의 환류 비로 충진된 내부가 유리인 증류 칼럼에서 농축했다. 이와 같이 증류된 물(245Kg)을 또 다른 용매 추출물을 사용한 역-추출 과정에 사용했다. 58wt% 락트산을 갖는 수성 락트산 농축물 30.5Kg을 얻었으며, 역-추출에서 농축까지의 공정 단계에서 전체 락트산 회수율은 88%였다.1260 Kg of the solvent extract containing 1.6 wt% lactic acid obtained from the fermentation broth as described in Example 13 was mixed with 26 Kg of lime dissolved / dispersed in 156 Kg of demineralized water in a 3000 L continuous stirring tank reactor (CSTR) for 2 hours, and the reaction mixture was Allow 2 hours for phase separation to occur. The lower aqueous phase contained mostly lactic acid, and the upper regenerated solvent phase was taken to lactic acid liquid-liquid extraction from fresh gravy. An aqueous lactate phase of 204 Kg was obtained from the bottom of the reactor, which exhibited at least 99% lactic acid recovery based on mass balance. The aqueous back-extract thus obtained was acidified to pH 2-2.5 using concentrated sulfuric acid in a continuous stirred tank reactor with glass inside to convert lactate to lactic acid. The acidified back-extract was then centrifuged to remove precipitated calcium sulfate. The precipitate was washed with 30 Kg of demineralized water to recover the lactic acid taken out. The filtrate containing lactic acid thus obtained was then passed through a column containing the cation-exchange resin at a rate of 3-5 fill volumes per hour under continuous column operating conditions. After this treatment the pH of the column effluent was found to decrease to a level of 1.5-2.0. In order to recover residual lactic acid, the resin column was rinsed with two packed volumes of demineralized water to completely recover the lactic acid captured from the resin column. 275 Kg of the dark brown aqueous lactic acid solution thus obtained was concentrated in a glass distillation column filled with a reflux ratio of 3: 1 through a series of condensers at a vacuum of 350 mmHg at 80 ° C to 84 ° C. This distilled water (245 Kg) was used in the back-extraction procedure with another solvent extract. 30.5 Kg of an aqueous lactic acid concentrate with 58 wt% lactic acid was obtained and the total lactic acid recovery was 88% in the process step from back-extraction to concentration.

실시예Example 15 15

상기 실시예에서 설명된 액체-액체 추출, 석회로의 역-추출, 락테이트의 산성화, 수지 처리 및 농축에 의해서 발효 육즙으로부터 얻어진 락트산 농도 66wt%의 수성 락트산 농축물 82g을, 액체 온도 측정 설비 및 표준 조인트를 통해 질소를 플러싱하는 설비가 장착된 250mL 3-목 둥근바닥 유리 플라스크에 넣었다. 플라스크를 숏 패드 증류 헤드와 물/공기 응축기를 통해 수집용기인 100mL 용량의 2-목 둥근바닥 유리 플라스크에 연결했다. 증기 온도를 측정하기 위해 증류 헤드에 온도계 포켓을 제공했다. 반응 플라스크를 로타-맨틀에 놓고 반응 혼합물을 가열하고 혼합했다. 질소를 플러싱하면서 온도를 140℃까지 점진적으로 증가시켜 증류액으로서 물을 제거했다. 다음에, 반응물을 90℃까지 냉각한 후, 질소 블랭킷팅 하에 디부틸 산화주석 촉매 0.6g을 반응 혼합물에 가했다. 다음에, 2시간 이상에 걸쳐 온도를 160℃까지 단계적으로 점진적으로 증가시키고, 진공을 대기압에서 60mmHg까지 단계적으로 점진적으로 증가시켜 남아 있는 물을 제거했다. 물을 제거한 후 반응 혼합물을 90℃까지 냉각하고, 물 응축기를 공기 응축기로 교환하고, 수집용기를 얼음으로 냉각하고, 5시간에 걸쳐 온도를 290℃까지, 진공을 4mmHg까지 단계적 점진적으로 증가시켜 락티드의 증류를 행했다. 생성물로서 조 락티드 증류액 40g을 얻었으며, 그 결과 조 락티드의 수율은 락트산을 기준으로 90% 이상이다.82 g of an aqueous lactic acid concentrate having a concentration of 66wt% lactic acid obtained from fermented broth by liquid-liquid extraction, back-extraction of lime lime, acidification of lactate, resin treatment and concentration described in the above embodiment was prepared, It was placed in a 250 mL three-neck round bottom glass flask equipped with a facility to flush nitrogen through a standard joint. The flask was connected via a short pad distillation head and a water / air condenser to a 100 mL two-neck round bottom glass flask, the collection vessel. A thermometer pocket was provided on the distillation head to measure the steam temperature. The reaction flask was placed in a rota-mantle and the reaction mixture was heated and mixed. The temperature was gradually increased to 140 ° C. while flushing nitrogen to remove water as distillate. The reaction was then cooled to 90 ° C. and then 0.6 g of dibutyltin oxide catalyst was added to the reaction mixture under nitrogen blanketing. Then, the temperature was gradually increased gradually to 160 ° C. over 2 hours and the vacuum was gradually increased gradually to 60 mmHg at atmospheric pressure to remove the remaining water. After removing the water, the reaction mixture is cooled to 90 ° C., the water condenser is exchanged with an air condenser, the collector is cooled with ice, and the temperature is gradually increased to 290 ° C. and the vacuum is gradually increased to 4 mm Hg over 5 hours. Tide was distilled off. As a product 40 g of crude lactide distillate were obtained, with the result that the yield of crude lactide was at least 90% based on lactic acid.

실시예Example 16 16

액체-액체 추출, 암모니아를 이용한 역-추출, 이온-교환 및 농축에 의해 발효 육즙으로부터 얻어진 75% 농도의 락트산을 함유하는 암갈색 농축물인 수성 락티 드 83g을 실시예 15에 설명된 실험 셋업을 이용한 락티드 형성에 사용했다. 온도를 질소 분위기 하에 3시간에 걸쳐 주위 온도에서 156℃까지 점진적으로 증가시켜 물을 제거했다. 반응 혼합물을 85℃까지 냉각하고, 여기에 디부틸 산화주석 촉매 1.6g을 가하고, 4시간에 걸쳐 온도를 160℃까지 점진적으로 증가시키고, 진공을 대기압에서 40mmHg까지 점진적으로 증가시켜 반응 혼합물로부터 남아 있는 물을 제거했다. 반응 혼합물을 90℃까지 냉각하고, 숏패드 공기 응축기를 사용하고 락티드를 위해 드라이아이스로 생성물 수집용기를 냉각하면서, 온도를 235℃까지, 진공을 5mmHg까지 단계적으로 증가시켜 락티드 증류를 시작했다. 4시간 이내에 조 락티드 증류액 47g을 수집했고, 반응 플라스크에는 잔류물 7.5g이 남았는데, 이것은 조 락티드 수율이 90% 이상인 것을 나타낸다.83 g of aqueous lactide, a dark brown concentrate containing 75% concentration of lactic acid obtained from fermentation broth by liquid-liquid extraction, back-extraction with ammonia, ion-exchange and concentration, was prepared using the experimental setup described in Example 15. Used for tide formation. Water was removed by gradually increasing the temperature to 156 ° C. at ambient temperature over 3 hours under a nitrogen atmosphere. Cool the reaction mixture to 85 ° C., add 1.6 g of dibutyltin oxide catalyst to it, gradually increase the temperature to 160 ° C. over 4 hours, and gradually increase the vacuum to 40 mm Hg at atmospheric pressure, leaving the reaction mixture Water was removed. The reaction mixture was cooled to 90 ° C., using a short pad air condenser and cooling the product collection vessel with dry ice for lactide, starting the lactated distillation by increasing the temperature stepwise to 235 ° C. and the vacuum to 5 mm Hg. . 47 g of crude lactide distillate were collected within 4 hours, and 7.5 g of residue remained in the reaction flask, indicating a crude lactide yield of at least 90%.

실시예Example 17 17

락티드 형성에 대한 실험에서, 액체-액체 추출, 역-추출, 산성화, 수지 처리 및 농축에 의해 발효 육즙으로부터 제조된, 44.7중량%의 락트산을 함유하는 거무스름한 색의 점성 수성 락트산 농축물 42.5Kg을 작업 용량이 50L인 SS-316 오토클레이브 반응기에 공급원료로서 사용했다. 이 반응기는 터빈형 교반 임펠러, 숏패드 응축기, 액체 및 증기 온도 측정 설비, 및 질소 블랭킷팅을 위한 포트를 구비했다. 하부에 밸브가 있는 유리로 된 20L 3-목 생성물 수집용기를 응축기를 통해 반응 시스템에 연결했다. 반응기를 재킷으로 감싸서 뜨거운 오일을 순환시켜 온도를 조절하고, 환류 응축기를 이용해 수집용기의 목 중 하나를 통해 진공을 적용했다. 반응기에 공급원료를 충전한 후, 반응 혼합물의 온도를 10시간에 걸쳐 주위 온도에서 152℃까지 서서히 증가시켜 물을 제거했다. 증기 온도는 이 기간 동안 100~108℃의 범위에서 변했다. 다음에, 디부틸 산화주석 촉매 340g을 가하고, 8시간에 걸쳐 온도를 150℃ 내지 160℃의 범위에서 유지하고, 진공을 600에서 60mmHg까지 점진적으로 증가시켜 물을 더 제거했다. 물을 제거한 후 10mmHg의 진공을 적용하고, 14시간에 걸쳐 온도를 160℃에서 220℃까지 점진적으로 증가시켜 락티드의 증류를 행했다. 조 락티드 증류액 13.4Kg을 얻었으며, 그 결과 조 락티드의 수율은 락트산을 기준으로 87%이다.In experiments on lactide formation, 42.5 Kg of a blackish colored viscous aqueous lactic acid concentrate containing 44.7% by weight of lactic acid, prepared from fermentation broth by liquid-liquid extraction, back-extraction, acidification, resin treatment and concentration, It was used as feedstock in a SS-316 autoclave reactor with a working volume of 50L. The reactor was equipped with a turbine-type stirring impeller, a shot pad condenser, a liquid and vapor temperature measurement facility, and a port for nitrogen blanketing. A glass 20L three-necked product collection vessel with a valve at the bottom was connected to the reaction system via a condenser. The reactor was wrapped in a jacket to circulate hot oil to regulate temperature, and a vacuum was applied through one of the necks of the collection vessel using a reflux condenser. After charging the feedstock to the reactor, the temperature of the reaction mixture was slowly increased from ambient temperature to 152 ° C. over 10 hours to remove water. The steam temperature varied in the range of 100-108 ° C. during this period. Next, 340 g of dibutyltin oxide catalyst was added, the temperature was maintained in the range of 150 ° C to 160 ° C over 8 hours, and the vacuum was gradually increased from 600 to 60 mmHg to further remove water. After removing the water, a vacuum of 10 mmHg was applied, and the lactide was distilled off by gradually increasing the temperature from 160 ° C to 220 ° C over 14 hours. A crude lactide distillate of 13.4 Kg was obtained, with the result that the yield of crude lactide was 87% based on lactic acid.

실시예Example 18 18

발효 육즙으로부터 실시예 15에서 제조된 것과 같은 조 락티드를, 환류 응축기가 장착된 100mL 둥근바닥 플라스크에서 락티드를 용해하는 것에 의해, 5:3의 조 락티드:에틸 아세테이트 비를 이용하여 에틸 아세테이트로부터 결정화하여 정제하고, 2 내지 4시간 동안 5℃의 온도로 용액을 냉각하여 락티드의 결정화가 일어나도록 했다. 용융점 89℃의 흰색 락티드 결정이 얻어졌다. 이 정제된 락티드를 에틸 아세테이트로 2차 재결정하여 문헌에 보고된 것에 필적하는 용융점 97℃의 정제 락티드를 생성했다. 이 정제 락티드 2g을 100mL 둥근바닥 플라스크에 취하여 오일배스에서 80℃에서 1시간 동안 배기시킨 다음, 톨루엔에 용해된 틴 옥토에이트 촉매 0.5% 용액 0.2mL를 가하고, 반응 혼합물을 1시간 더 배기시켜서 용매를 제거했다. 이 시스템을 진공에서 밀봉하고, 마그네틱 바로 교반하면서 반응 혼합물의 온도를 180℃까지 단계적으로 서서히 증가시키고, 45분간 180℃에서 유지하여 락티드의 용융 중합을 행했다. 다음에, 온도를 130℃까지 낮추고, 중합 반응을 12시간 더 계 속했다. 이와 같이 생성된 중합체를 클로로포름에 용해, 메탄올로 재침전, 건조하는 것의 재처리를 행하여, 용액 비점도 0.21의 흰색 생성물 1.87g을 얻었으며, 이것의 수율은 94%이다. 10℃/분의 가열 속도에서 중합체를 DSC 분석한 결과, 55℃, 99℃ 및 152℃에서 PLA의 3가지 전이 특성이 나타났으며, 이것은 유리전이, 결정화 및 중합체의 용융에 각각 해당한다.Crude lactide as prepared in Example 15 from fermentation broth was dissolved in ethyl acetate using a crude lactide: ethyl acetate ratio of 5: 3 by dissolving the lactide in a 100 mL round bottom flask equipped with a reflux condenser. Was purified by crystallization from the solution, and the solution was cooled to a temperature of 5 ° C. for 2 to 4 hours to cause crystallization of lactide. White lactide crystals having a melting point of 89 ° C. were obtained. This purified lactide was second recrystallized with ethyl acetate to produce purified lactide with a melting point of 97 ° C. comparable to that reported in the literature. 2 g of this purified lactide was taken in a 100 mL round bottom flask and evacuated in an oil bath at 80 ° C. for 1 hour, and then 0.2 mL of a 0.5% solution of tin octoate catalyst dissolved in toluene was added, and the reaction mixture was further evacuated for 1 hour to remove the solvent. Removed it. The system was sealed in vacuo and the temperature of the reaction mixture was gradually increased gradually to 180 ° C. while stirring with a magnetic bar, and held at 180 ° C. for 45 minutes to perform melt polymerization of lactide. Next, the temperature was lowered to 130 ° C. and the polymerization reaction was continued for 12 hours. The polymer thus produced was dissolved in chloroform, reprecipitated with methanol, and reprocessed to dry to obtain 1.87 g of a white product having a solution specific viscosity of 0.21, which yields 94%. DSC analysis of the polymer at a heating rate of 10 ° C./min revealed three transition properties of PLA at 55 ° C., 99 ° C. and 152 ° C., corresponding to glass transition, crystallization and melting of the polymer, respectively.

실시예Example 19 19

실시예 18에서 설명된 과정에 따라서 제조된 정제 락티드 2g을 100mL 둥근바닥 플라스크에 취하고 80℃(오일배스)에서 1시간 동안 배기시켰다. 다음에, 톨루엔에 용해된 틴 옥토에이트 0.5% 용액 0.4mL를 가하고, 플라스크를 30분 더 배기시켜서 톨루엔을 제거했다. 반응 혼합물에 질소를 반복적으로 플러싱하고, 질소 존재 하에서 플라스크를 밀봉했다. 다음에, 반응 혼합물의 온도를 마그네틱 바로 교반하면서 180℃까지 서서히 상승시키고, 180℃에서 2시간 이어서 150℃에서 4시간 그리고 120℃에서 13시간 동안 용융 중합이 일어나도록 했다. 재처리된 중합체의 GPC 분자량은 38,700인 것으로 나타났고, 분자량 분포는 1.98이었다. DSC 온도기록도는 152℃에서 중합체의 용융 흡열과, 냉각 중에는 108℃의 결정화 온도를 나타냈다. 2 g of purified lactide prepared according to the procedure described in Example 18 was taken in a 100 mL round bottom flask and evacuated at 80 ° C. (oil bath) for 1 h. Next, 0.4 mL of a 0.5% tin octoate solution dissolved in toluene was added, and the flask was evacuated for 30 minutes to remove toluene. Nitrogen was flushed repeatedly into the reaction mixture and the flask was sealed in the presence of nitrogen. The temperature of the reaction mixture was then slowly raised to 180 ° C. with stirring of the magnetic bar, allowing melt polymerization to occur for 2 hours at 180 ° C. followed by 4 hours at 150 ° C. and 13 hours at 120 ° C. The GPC molecular weight of the retreated polymer was found to be 38,700 and the molecular weight distribution was 1.98. DSC thermograms showed a melting endotherm of the polymer at 152 ° C. and a crystallization temperature of 108 ° C. during cooling.

실시예Example 20 20

실시예 16에 설명된 대로 발효 육즙으로부터 얻어진 락트산으로부터 제조된 조 락티드를, 5:3의 락티드:에틸 아세테이트 비로 에틸 아세테이트 중에서 2회 재결정하여 정제했다. 다음, 락티드를 여과하고, 1:1의 락티드:톨루엔 비로 톨루엔 을 사용하여 재결정했다. 이와 같이 정제된 락티드의 용융점은 99℃인 것으로 나타났다. 이 락티드 7.5g을 둥근바닥 플라스크에 취하여 5~10mmHg의 진공에서 80℃에서 1시간 동안 건조시켰다. 다음에, 락티드를 기준으로 0.6% 틴 옥토에이트 촉매를 가하고, 반응 혼합물을 진공 하에서 1시간 더 건조시켰다. 다음에, 플라스크를 진공 하에서 밀봉하고, 반응 혼합물을 180℃에서 35분간 중합했다. 고유 점도가 0.69dL/g이고 GPC 분자량이 78,000인 중합체가 90%의 수율로 얻어졌다.Crude lactide prepared from lactic acid obtained from fermentation broth as described in Example 16 was purified by recrystallization twice in ethyl acetate at a lactide: ethyl acetate ratio of 5: 3. The lactide was then filtered and recrystallized using toluene at a 1: 1 lactide: toluene ratio. The melting point of this purified lactide was found to be 99 ° C. 7.5 g of this lactide was taken in a round bottom flask and dried at 80 ° C. for 1 hour in a vacuum of 5-10 mmHg. Next, 0.6% tin octoate catalyst based on lactide was added and the reaction mixture was further dried under vacuum for 1 hour. Next, the flask was sealed under vacuum and the reaction mixture was polymerized at 180 ° C. for 35 minutes. A polymer having an inherent viscosity of 0.69 dL / g and a GPC molecular weight of 78,000 was obtained with a yield of 90%.

실시예Example 21 21

락트산으로서 산도가 0.01wt%이고 수분 수준이 180ppm인 정제 락티드 10g의 용융 중합을 180℃에서 3시간 동안 수행했다. 락티드 중량을 기준으로 0.2% 틴 옥토에이트 촉매를 사용했다. 용융 중합에 대한 실험 셋업은 실시예 20에 설명된 것과 동일했다. 고유 점도가 2.52dL/g이고 GPC 분자량이 2,35,000인 중합체가 95%의 중합체 수율로 얻어졌다. 중합체 샘플의 DSC 분석 결과, 용융점은 170℃이고 융합열은 29Kcal/mol였다.Melt polymerization of 10 g of purified lactide having an acidity of 0.01 wt% and a water level of 180 ppm as lactic acid was performed at 180 ° C. for 3 hours. 0.2% tin octoate catalyst based on lactide weight was used. The experimental setup for melt polymerization was the same as described in Example 20. A polymer having an inherent viscosity of 2.52 dL / g and a GPC molecular weight of 2,35,000 was obtained with a polymer yield of 95%. DSC analysis of the polymer sample showed a melting point of 170 ° C. and a heat of fusion of 29 Kcal / mol.

실시예Example 22 22

정제 락티드의 용융 중합을 배치 수준 당 100g으로 수행했다. 0.02%의 산도 및 350ppm의 수분을 갖는 락티드 100g을 250mL 둥근바닥 플라스크에 취했다. 락티드를 기준으로 0.056wt%의 틴 옥토에이트 촉매를 가하고, 반응 혼합물을 80℃에서 2시간 동안 배기시켜서 수분과 촉매 용액을 제조하는데 사용된 톨루엔을 제거했다. 반응 혼합물을 진공 하에서 밀봉하고, 온도를 180℃까지 증가시키고 1시간 동안 유지하여 용융 중합이 일어나도록 했다. GPC 분자량 2,13,000, 분산도 2.12의 중합 체가 85%의 전환율로 얻어졌다.Melt polymerization of the purified lactide was performed at 100 g per batch level. 100 g of lactide with an acidity of 0.02% and water of 350 ppm were taken in a 250 mL round bottom flask. 0.056 wt% tin octoate catalyst based on lactide was added and the reaction mixture was evacuated at 80 ° C. for 2 hours to remove water and toluene used to prepare the catalyst solution. The reaction mixture was sealed under vacuum and the temperature was increased to 180 ° C. and maintained for 1 hour to allow melt polymerization to occur. A polymer having a GPC molecular weight of 2,13,000 and a dispersion degree of 2.12 was obtained with a conversion rate of 85%.

실시예Example 23 23

기계 교반기가 장착된 5Kg Paar 반응기에서 정제 락티드 1.3Kg을 0.056% 틴 옥토에이트 촉매의 존재하에 용융 중합했다. 락티드의 산가는 0.25%였다. 락티드를 20~30mmHg의 진공 수준에서 4시간 동안 75~85℃에서 건조시켰다. 혼합물에 질소를 반복적으로 퍼지하고, 조립체를 진공 하에서 밀봉했다. 반응 혼합물의 온도를 교반하면서 180℃까지 서서히 상승시키고 1시간 동안 유지했다. 비점도 0.77이고 GPC 분자량 72,000인 중합체 1.1Kg이 거의 85%의 중합체 수율로 얻어졌다.1.3Kg of purified lactide was melt polymerized in the presence of 0.056% tin octoate catalyst in a 5Kg Paar reactor equipped with a mechanical stirrer. The acid value of lactide was 0.25%. Lactide was dried at 75-85 ° C. for 4 hours at a vacuum level of 20-30 mmHg. Nitrogen was repeatedly purged into the mixture and the assembly was sealed under vacuum. The temperature of the reaction mixture was slowly raised to 180 ° C. with stirring and maintained for 1 hour. 1.1 Kg of polymer having a specific viscosity of 0.77 and a GPC molecular weight of 72,000 was obtained with a polymer yield of almost 85%.

전술한 설명에 비추어, 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어나지 않으면서 이들의 동등한 변형이 만들어질 수 있다는 것이 당업자에게 분명해질 것이다.In view of the foregoing description, it will be apparent to those skilled in the art that equivalent variations thereof may be made without departing from the spirit and scope of the present invention.

Claims (29)

탄소 공급원으로서 당밀을 갖는 발효 배지를 제조하는 단계;Preparing a fermentation medium having molasses as a carbon source; 상기 발효 배지를 발효시키는 단계;Fermenting the fermentation medium; 상기 발효 배지로부터 락트산을 추출하는 단계;Extracting lactic acid from the fermentation medium; 상기 락트산으로부터 색소를 제거하는 단계;Removing the pigment from the lactic acid; 상기 락트산을 정제 및 농축하는 단계;Purifying and concentrating the lactic acid; 상기 락트산으로부터 락티드를 제조하는 단계; 및Preparing lactide from the lactic acid; And 상기 락티드를 중합하여 폴리락트산을 형성하는 단계Polymerizing the lactide to form polylactic acid 를 포함하는, 폐기물 처리 문제를 피할 수 있는 재생가능한 농업 원료의 발효에 의한 폴리락트산의 생산 방법.A method for producing polylactic acid by fermentation of renewable agricultural raw materials, which can avoid waste disposal problems, including. 제 1 항에 있어서, 상기 재생가능한 농업 원료는 당밀, 사탕수수 버개스 가수분해물, 옥수수 시럽, 사탕무 및 사탕수수 즙으로 구성되는 군으로부터 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the renewable agricultural raw material is selected from the group consisting of molasses, sugar cane bagasse hydrolyzate, corn syrup, sugar beet and sugar cane juice. 제 1 항에 있어서, 상기 재생가능한 농업 원료는 식용 또는 비식용일 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the renewable agricultural raw material can be edible or non-edible. 제 1 항에 있어서, 상기 재생가능한 농업 원료는 약 40% 내지 약 50%(w/w)의 발효가능한 당을 함유하는 사탕수수 당밀인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the renewable agricultural raw material is sugarcane molasses containing from about 40% to about 50% (w / w) fermentable sugars. 제 1 항에 있어서, 상기 당밀을 약 70g/L의 발효가능한 당 농도로 조정하는 것을 특징으로 하는 방법.2. The method of claim 1, wherein said molasses is adjusted to a fermentable sugar concentration of about 70 g / L. 제 5 항에 있어서, 당밀을 원심분리하여 현탁된 물질을 제거하고 물로 희석하여 약 7% 내지 약 10%의 발효가능한 당 농도를 만드는 것을 특징으로 하는 방법.6. The method of claim 5, wherein the molasses is centrifuged to remove suspended material and diluted with water to produce a fermentable sugar concentration of about 7% to about 10%. 제 6 항에 있어서, 당밀 용액을 약 2% 내지 약 5% 옥수수 침지수 및 압열멸균된 효모 페이스트로 보충하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.7. The method of claim 6, further comprising supplementing the molasses solution with about 2% to about 5% corn steep water and autoclaved yeast paste. 제 1 항에 있어서, 상기 발효 단계는 혐기성/미호기성 조건 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the fermentation step is carried out under anaerobic / aerobic conditions. 제 8 항에 있어서, 혐기성/미호기성 조건 하의 상기 발효는 Lactobacillus, Streptococcus, BacillusRhizopus로 구성되는 군으로부터 선택된 미생물에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.9. The method of claim 8, wherein said fermentation under anaerobic / aerobic conditions is carried out by a microorganism selected from the group consisting of Lactobacillus, Streptococcus, Bacillus and Rhizopus . 제 9 항에 있어서, 상기 LactobacillusL. delbrueckii , L. rhamnosus , L. helveticus, L. casei , L. plantarum , L. bulgaricus , L. amylovoransL. lactis로 구성되는 군으로부터 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 9, wherein Lactobacillus is selected from the group consisting of L. delbrueckii , L. rhamnosus , L. helveticus, L. casei , L. plantarum , L. bulgaricus , L. amylovorans and L. lactis . How to. 제 1 항에 있어서, 상기 발효 단계는 발효 배지의 pH를 약 5.0 내지 약 6.0으로 조정 및 유지하는 단계를 더 포함하며, 이로써 미생물의 성장 지연을 피하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the fermentation step further comprises adjusting and maintaining the pH of the fermentation medium to about 5.0 to about 6.0, thereby avoiding growth retardation of the microorganisms. 제 1 항에 있어서, 상기 발효 단계는 연속 공정 또는 유가식 발효 공정인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the fermentation step is a continuous process or a fed-batch fermentation process. 제 11 항에 있어서, 상기 발효 배지의 상기 pH를 조정하는 상기 단계는 알칼리, 탄산염 및 암모니아로 구성되는 군으로부터 선택된 중화제를 사용하여 달성하는 것을 특징으로 하는 방법.12. The method of claim 11, wherein said adjusting said pH of said fermentation medium is accomplished using a neutralizing agent selected from the group consisting of alkalis, carbonates, and ammonia. 제 1 항에 있어서, 발효 배지에서 생산된 락트산을 유기용매를 사용하여 추출하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the lactic acid produced in the fermentation broth is extracted using an organic solvent. 제 14 항에 있어서, 상기 추출 단계는 이소아밀 알코올, 부탄올, 시클로헥사논 및 메틸 아세테이트로 구성되는 군으로부터 선택된 유기용매를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.15. The method of claim 14, wherein said extracting step uses an organic solvent selected from the group consisting of isoamyl alcohol, butanol, cyclohexanone and methyl acetate. 제 1 항에 있어서, 상기 추출 단계는 용매를 사용하여 주위 온도에서 발효 배지로부터 상기 락트산을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the extracting step further comprises separating the lactic acid from the fermentation medium at ambient temperature using a solvent. 제 15 항에 있어서, 상기 용매는 알코올 또는 에스테르인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 15, wherein the solvent is an alcohol or an ester. 제 1 항에 있어서, 상기 방법이 90% 이상의 추출 효율을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the method has an extraction efficiency of at least 90%. 제 1 항에 있어서, 상기 추출 단계는 에너지 집중적이 아닌 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein said extracting step is not energy intensive. 제 14 항에 있어서, 추출된 락티드를 정제하고 농축하는 것을 특징으로 하는 방법.15. The method of claim 14, wherein the extracted lactide is purified and concentrated. 제 20 항에 있어서, 상기 정제는 알칼리 수산화물 또는 알칼리 토금속 수산화물을 사용하여 유기용매로부터 수성 상으로 락트산을 역-추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.21. The method of claim 20, wherein the purification comprises back-extracting lactic acid from the organic solvent into the aqueous phase using an alkali hydroxide or alkaline earth metal hydroxide. 제 21 항에 있어서, 수성 상에 역-추출된 락트산을 진한 황산을 사용하여 2 내지 2.5 범위의 pH로 산성화하는 것을 특징으로 하는 방법.22. The method of claim 21, wherein the lactic acid back-extracted with the aqueous phase is acidified to a pH in the range of 2 to 2.5 using concentrated sulfuric acid. 제 1 항에 있어서, 정제는 제 22 항의 역-추출된 락트산을 양이온-교환 수지를 통해 통과시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the purification comprises passing the back-extracted lactic acid of claim 22 through a cation-exchange resin. 제 23 항에 있어서, 정제된 락트산을 내부가 유리로 된 충진 증류 칼럼에서 농축하는 것을 특징으로 하는 방법.24. The process of claim 23, wherein the purified lactic acid is concentrated in a packed distillation column of glass interior. 제 24 항에 있어서, 농축된 락트산을 약 120℃ 내지 약 155℃의 온도에서 반응기에서 락티드로 전환하며, 이때 상응하는 액체 온도는 약 180℃ 내지 약 225℃인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 24, wherein the concentrated lactic acid is converted to lactide in the reactor at a temperature of about 120 ° C. to about 155 ° C., wherein the corresponding liquid temperature is about 180 ° C. to about 225 ° C. 26. 제 25 항에 있어서, 락트산의 락티드로의 농축은 약 5 내지 약 30mmHg의 진공에서 수행하며, 예비중합과 락티드 형성이 단일 작업으로 합쳐지는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 25, wherein the concentration of lactic acid to lactide is performed in a vacuum of about 5 to about 30 mmHg, wherein prepolymerization and lactide formation are combined in a single operation. 제 1 항에 있어서, 락티드의 정제는 유기용매를 사용하여 결정화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the purification of lactide comprises crystallizing using an organic solvent. 제 27 항에 있어서, 정제된 락티드를 중합하여 폴리락트산을 얻는 것을 특징 으로 하는 방법.28. The method of claim 27, wherein the purified lactide is polymerized to obtain polylactic acid. 제 4 항에 있어서, 상기 재생가능한 농업 원료는 사탕수수 버개스를 포함하며, 상기 사탕수수 버개스는, 상기 버개스 입자를 120℃에서 30 내지 90분간 묽은 산으로 가수분해하고, 상기 버개스를 120℃ 내지 150℃에서 약 15분 내지 약 90분간 1% 내지 5%(v/v) 알칼리로 처리하여 탈리그닌화하여 제조하는 것을 특징으로 하는 방법.5. The method of claim 4, wherein the renewable agricultural raw material comprises sugarcane bagasse, the sugarcane bagasse hydrolyzes the bagasse particles with dilute acid at 120 ° C. for 30 to 90 minutes, A process characterized in that it is prepared by delignification by treatment with 1% to 5% (v / v) alkali at 120 ° C. to 150 ° C. for about 15 to about 90 minutes.
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